Science:华人团队揭秘“派大星”骨骼,高强度新型材料正在路上

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撰文:朱哼哼
编审:王哈哈
排版:李雪薇

对于工业领域,尤其是汽车和航空航天制造业而言,寻找轻质且坚固的材料非常有必要。这些新型材料可以在保证强度的同时提高能源效率。然而,在长期工业实践中,轻质且高强度材料的研发异常缓慢。毕竟强度更高的材料往往密度更大,重量也更大。

近日,来自弗吉尼亚理工大学机械工程学院的助理教授 Ling Li 博士带领研究团队,为新型轻质高强度陶瓷复合材料的开发指明了方向。

Ling Li 博士的研究团队通过对广泛分布于印度-太平洋地区的多节海星骨骼样本进行研究,首次发现,海星的骨骼均由一个单独的微晶格结构构成,这种微晶结构非常均匀,可以用数学公式来描述,并通过节点连接分支组成,类似于埃菲尔铁塔的结构。更有趣的是,他们还发现,微晶格结构的均匀性本质是原子水平的单晶结构。

对此,Li 博士表示,“这种独特的材料就像是由一块方解石单晶雕刻而成的晶格,这种近乎完美的微晶格结构此前在自然界中从未被报道过,也未被合成过。大多数高度规则的晶格材料都是通过将材料和小晶体结合形成复合材料制成的,而这种全新的微晶格结构是作为一个整体生长而来的。”

图 | Science 封面(来源:Science)

该研究以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”为题,发表在最新一期的 Science 杂志封面上。

如何实现工业材料质量与强度的平衡

我们都知道,密度高的材料其强度往往更大,相应的重量也就越大。举个简单的例子,相比于一个空心铁球,实心铁球的强度显然会更高。因此,长期以来,工业界在设计新型轻质高强度材料时往往难以取得质量和强度的平衡。

相比之下,大自然经过数百万年的进化,想到了一个巧妙的办法来解决这一问题,那就是多孔材料,通过内部孔隙的引入产生极轻且高强度的材料。例如,我们的骨骼、植物的根茎以及蜜蜂的蜂巢等。

图 | 蜂巢(来源:Pixabay)

如果将这些材料放在显微镜下,我们会发现,它们之间充满了微小的空隙,以及复杂的几何结构。正是这些复杂的孔隙,让我们可以轻快地行走奔跑,且承受高强度的冲击。
因此,长期以来,众多材料工作者试图从自然界中汲取灵感,开放新型多孔材料,尤其是新型多孔陶瓷材料。
相比于金属和聚合物材料,陶瓷具有良好的力学特性、热学特性以及电化学特性可以更好地承受高温和腐蚀环境,但其脆性往往使其容易破损,从而极大限制了陶瓷材料的广泛应用。

以自然为灵感开发新型多孔陶瓷材料

此前,Li 博士的团队曾在墨鱼骨中发现,其独特的多孔生物陶瓷结构同时具有坚固、抗断裂特性,且能用于浮力调节。这个项目以及其他类似的研究激发了 Li 博士在微观尺度上研究自然界多孔结构的应用。

在这项工作中,Li 博士及其团队将目光放在了多节海星的骨架上。以往在电视中我们经常会看到海星以各种慵懒的姿势躺平,因此很多人第一影响就是海星是一种非常柔软的动物。

图 | 海星(来源:Pixabay)

然而实际上,海星作为一种棘皮动物,其拥有中胚层形成的内骨骼,各种形式的小骨片经结缔组织连接形成一个整体,虽然质量很轻,但是强度非常大,就像防弹衣那样坚韧。

显然,海星骨骼所表现出的高强度和高韧性是一种理想的材料,揭示其原理有助于制造出更坚固,更耐用的多孔陶瓷材料。

为此,Li 博士带领研究团队在纳米级表征和制造实验室对这些海星骨骼样本进行了观察,结果发现,在微观尺度上,海星骨架所呈现出的晶格结构非常规则,与此前墨鱼骨以及海胆刺的多孔结构完全不同。相反,这是目前发现的无脊柱动物骨骼中最有规律的结构,这种规律的结构与人类现代建筑项目常用的空间框架结构非常相似。

(来源:Virginia Tech)

随后,研究人员开始探索这种天然的晶格材料是如何具有如此高的机械强度的,毕竟海星骨骼和粉笔的主要成分都是方解石,显然粉笔的强度要远低于海星。

然而,研究结果远超Li博士的预料。他们发现,海星体内每一个小的骨片都是由一个单独的微晶格结构构成,这种结构非常均匀,通过节点连接各个分支,类似于埃菲尔铁塔的建筑结构。更有趣的是,研究小组发现,这种微晶格的均匀结构本质上是原子水平的单晶结构。

这种结构允许海星在特定方向战略性加强骨骼,提供增强保护。此外,这种动物似乎还可以沿着选定的方向和特定区域加厚触手,从而提高机械性能。类似于人体可以通过改变多孔骨骼局部几何形状以适应身体活动能力。

对此,生物矿化专家、弗吉尼亚理工大学特聘教授 Patricia Dove 表示,“生活在高度掠夺性海底环境的海星和其他棘皮动物正在揭示一个新的材料世界,仅用海水和一些有机成分,生物界就可以之指导非凡骨骼的形成。这一工作对机械工程领域新材料设计具有重要意义。”

据悉,目前 Li 博士及其合作者正在尝试使用 3D 打印技术来建模和生成这些复杂晶格结构。虽然目前Li团队创建的 3D 打印模型可以在视觉上与之媲美,但是将这种全新的,强大的陶瓷架构推向市场仍旧需要一段时间。

图 | Li 博士展示海星骨架和 3D 打印模型(来源:Alex Parrish for Virginia Tech)

目前,3D 打印机虽然可以生产微米结构,但是打印的陶瓷产品最终烧制成型过程可能会引入许多不受控制的微小孔隙和裂缝。这些细微的变化会破坏其力学特性,变得非常脆弱。未来,随着 3D 打印技术的进步,以及对海星骨骼生物结构形成机制的了解,或许可以提供新的解决方案。

总体而言,这一研究从纳米水平揭示了海星高强度骨骼的秘密,为未来更坚固、更轻盈的多孔陶瓷材料开发指明了方向。对此,Li 博士表示,“大自然可以在室温和环境压力下组装这种复杂的生物结构,而人类现代科技目前无法实现。”

参考资料:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9472

https://vtx.vt.edu/articles/2022/02/eng-ling-li-starfish-skeleton.html

https://www.eurekalert.org/news-releases/942484?

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