海星完美骨骼為新型材料開發(fā)指明了方向

對于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是汽車和航空航天制造業(yè)而言，尋找輕質(zhì)且堅固的材料非常有必要。這些新型材料可以在保證強度的同時提高能源效率。然而，在長期工業(yè)實踐中，輕質(zhì)且高強度材料的研發(fā)異常緩慢。畢竟強度更高的材料往往密度更大，重量也更大。

近日，來自弗吉尼亞理工大學(xué)機械工程學(xué)院的助理教授 Ling Li 博士帶領(lǐng)研究團隊，為新型輕質(zhì)高強度陶瓷復(fù)合材料的開發(fā)指明了方向。

Ling Li博士的研究團隊通過對廣泛分布于印度-太平洋地區(qū)的多節(jié)海星骨骼樣本進行研究，首次發(fā)現(xiàn)，海星的骨骼均由一個單獨的微晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這種微晶結(jié)構(gòu)非常均勻，可以用數(shù)學(xué)公式來描述，并通過節(jié)點連接分支組成，類似于埃菲爾鐵塔的結(jié)構(gòu)。更有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)，微晶格結(jié)構(gòu)的均勻性本質(zhì)是原子水平的單晶結(jié)構(gòu)。

對此，Li博士表示，“這種獨特的材料就像是由一塊方解石單晶雕刻而成的晶格，這種近乎完美的微晶格結(jié)構(gòu)此前在自然界中從未被報道過，也未被合成過。大多數(shù)高度規(guī)則的晶格材料都是通過將材料和小晶體結(jié)合形成復(fù)合材料制成的，而這種全新的微晶格結(jié)構(gòu)是作為一個整體生長而來的。”

如何實現(xiàn)工業(yè)材料質(zhì)量與強度的平衡

我們都知道，密度高的材料其強度往往更大，相應(yīng)的重量也就越大。舉個簡單的例子，相比于一個空心鐵球，實心鐵球的強度顯然會更高。因此，長期以來，工業(yè)界在設(shè)計新型輕質(zhì)高強度材料時往往難以取得質(zhì)量和強度的平衡。

相比之下，大自然經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，想到了一個巧妙的辦法來解決這一問題，那就是多孔材料，通過內(nèi)部孔隙的引入產(chǎn)生極輕且高強度的材料。例如，我們的骨骼、植物的根莖以及蜜蜂的蜂巢等。

如果將這些材料放在顯微鏡下，我們會發(fā)現(xiàn)，它們之間充滿了微小的空隙以及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。正是這些復(fù)雜的孔隙，讓我們可以輕快地行走奔跑，且承受高強度的沖擊。

蜂巢

因此，長期以來，眾多材料工作者試圖從自然界中汲取靈感，開放新型多孔材料，尤其是新型多孔陶瓷材料。

相比于金屬和聚合物材料，陶瓷具有良好的力學(xué)特性、熱學(xué)特性以及電化學(xué)特性，可以更好地承受高溫和腐蝕環(huán)境，但其脆性往往使其容易破損，從而極大限制了陶瓷材料的廣泛應(yīng)用。

以自然為靈感開發(fā)新型多孔陶瓷材料

此前，Li博士的團隊曾在墨魚骨中發(fā)現(xiàn)，其獨特的多孔生物陶瓷結(jié)構(gòu)同時具有堅固、抗斷裂特性，且能用于浮力調(diào)節(jié)。這個項目以及其他類似的研究激發(fā)了Li 博士在微觀尺度上研究自然界多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

在這項工作中，Li博士及其團隊將目光放在了多節(jié)海星的骨架上。以往在電視中我們經(jīng)常會看到海星以各種慵懶的姿勢躺平，因此很多人第一印象就是海星是一種非常柔軟的動物。

海星

然而實際上，海星作為一種棘皮動物，其擁有中胚層形成的內(nèi)骨骼，各種形式的小骨片經(jīng)結(jié)締組織連接形成一個整體，雖然質(zhì)量很輕，但是強度非常大，就像防彈衣那樣堅韌。

顯然，海星骨骼所表現(xiàn)出的高強度和高韌性是一種理想的材料，揭示其原理有助于制造出更堅固、更耐用的多孔陶瓷材料。

為此，Li博士帶領(lǐng)研究團隊在納米級表征和制造實驗室對這些海星骨骼樣本進行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在微觀尺度上，海星骨架所呈現(xiàn)出的晶格結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，與此前墨魚骨以及海膽刺的多孔結(jié)構(gòu)完全不同。相反，這是目前發(fā)現(xiàn)的無脊柱動物骨骼中最有規(guī)律的結(jié)構(gòu)，這種規(guī)律的結(jié)構(gòu)與人類現(xiàn)代建筑項目常用的空間框架結(jié)構(gòu)非常相似。

隨后，研究人員開始探索這種天然的晶格材料是如何具有如此高的機械強度的，畢竟海星骨骼和粉筆的主要成分都是方解石，顯然粉筆的強度要遠低于海星。

然而，研究結(jié)果遠超Li博士的預(yù)料。他們發(fā)現(xiàn)，海星體內(nèi)每一個小的骨片都是由一個單獨的微晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)非常均勻，通過節(jié)點連接各個分支，類似于埃菲爾鐵塔的建筑結(jié)構(gòu)。更有趣的是，研究小組發(fā)現(xiàn)，這種微晶格的均勻結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是原子水平的單晶結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)允許海星在特定方向戰(zhàn)略性加強骨骼，提供增強保護。此外，這種動物似乎還可以沿著選定的方向和特定區(qū)域加厚觸手，從而提高機械性能。類似于人體可以通過改變多孔骨骼局部幾何形狀以適應(yīng)身體活動能力。

對此，生物礦化專家、弗吉尼亞理工大學(xué)特聘教授 Patricia Dove 表示，“生活在高度掠奪性海底環(huán)境的海星和其他棘皮動物正在揭示一個新的材料世界，僅用海水和一些有機成分，生物界就可以之指導(dǎo)非凡骨骼的形成。這一工作對機械工程領(lǐng)域新材料設(shè)計具有重要意義。”

據(jù)悉，目前Li博士及其合作者正在嘗試使用3D打印技術(shù)來建模和生成這些復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)。雖然目前Li團隊創(chuàng)建的3D打印模型可以在視覺上與之媲美，但是將這種全新的，強大的陶瓷架構(gòu)推向市場仍舊需要一段時間。

目前，3D打印機雖然可以生產(chǎn)微米結(jié)構(gòu)，但是打印的陶瓷產(chǎn)品最終燒制成型過程可能會引入許多不受控制的微小孔隙和裂縫。這些細微的變化會破壞其力學(xué)特性，變得非常脆弱。未來，隨著3D打印技術(shù)的進步，以及對海星骨骼生物結(jié)構(gòu)形成機制的了解，或許可以提供新的解決方案。

總體而言，這一研究從納米水平揭示了海星高強度骨骼的秘密，為未來更堅固、更輕盈的多孔陶瓷材料開發(fā)指明了方向。對此，Li博士表示，“大自然可以在室溫和環(huán)境壓力下組裝這種復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，而人類現(xiàn)代科技目前無法實現(xiàn)。”