Science封面：揭秘“派大星”完美骨骼，高強(qiáng)度新型材料正在路上

撰文：朱哼哼

編審：王哈哈

排版：李雪薇

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(qiáng)度的同時提高能源效率。然而，在長期工業(yè)實(shí)踐中，輕質(zhì)且高強(qiáng)度材料的研發(fā)異常緩慢。畢竟強(qiáng)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(jī)械工程學(xué)院的助理教授 Ling Li 博士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，為新型輕質(zhì)高強(qiáng)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行研究，首次發(fā)現(xiàn)，海星的骨骼均由一個單獨(dú)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(diǎn)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(dú)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?！?/p>

圖 | Science 封面（來源：Science）

該研究以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”為題，發(fā)表在最新一期的 Science 雜志封面上。

如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)材料質(zhì)量與強(qiáng)度的平衡

我們都知道，密度高的材料其強(qiáng)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(shí)心鐵球的強(qiáng)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(qiáng)度材料時往往難以取得質(zhì)量和強(qiáng)度的平衡。

相比之下，大自然經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)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(qiáng)度的材料。例如，我們的骨骼、植物的根莖以及蜜蜂的蜂巢等。

圖 | 蜂巢（來源：Pixabay）

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(qiáng)度的沖擊。

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(tuán)隊(duì)曾在墨魚骨中發(fā)現(xiàn)，其獨(dú)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(xiàng)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(xiàng)工作中，Li 博士及其團(tuán)隊(duì)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，因此很多人第一影響就是海星是一種非常柔軟的動物。

圖 | 海星（來源：Pixabay）

然而實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)在納米級表征和制造實(shí)驗(yàn)室對這些海星骨骼樣本進(jìn)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(xiàng)目常用的空間框架結(jié)構(gòu)非常相似。

（來源：Virginia Tech）

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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度要遠(yuǎn)低于海星。

然而，研究結(jié)果遠(yuǎn)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(dú)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(diǎn)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(qiáng)骨骼，提供增強(qiáng)保護(hù)。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(jī)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(jī)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(jī)械工程領(lǐng)域新材料設(shè)計具有重要意義?！?/p>

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(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的陶瓷架構(gòu)推向市場仍舊需要一段時間。

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

目前，3D 打印機(jī)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(xì)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(jìn)步，以及對海星骨骼生物結(jié)構(gòu)形成機(jī)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)?！?/p>

參考資料：

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?

學(xué)術(shù)頭條