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據(jù)外媒報(bào)道，弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)的研究人員解開(kāi)了海膽外骨骼多孔微結(jié)構(gòu)中的奧秘，或?qū)⒂兄谥圃燧p質(zhì)合成陶瓷。
陶瓷具有高耐熱性，是高速車(chē)輛的首選。因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)行時(shí)，壓縮空氣會(huì)跟車(chē)輛之間產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，導(dǎo)致熱量迅速上升。但是，陶瓷的耐損性較差，尤其當(dāng)陶瓷被制成多孔結(jié)構(gòu)以減輕重量時(shí)。
為了提高陶瓷材料的機(jī)械性能，研究人員利用由海膽等生物形成的天然陶瓷多孔固體，探討新的設(shè)計(jì)原理。海膽的外骨骼是一種多孔固體(或“泡沫”)，從微觀結(jié)構(gòu)上看，由具有實(shí)心邊緣或表面的開(kāi)放式細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞之間的間隙使其變成多孔結(jié)構(gòu)，從而生成一種比致密結(jié)構(gòu)更具機(jī)械效率的材料。
如何像海膽一樣應(yīng)對(duì)外部損害
在這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)鍵要素，使海膽既堅(jiān)固又有韌性，同時(shí)可以通過(guò)多孔微結(jié)構(gòu)來(lái)減輕重量。
海膽的刺堅(jiān)硬、結(jié)實(shí)、重量輕，由一種名為碳酸鈣的脆性礦物構(gòu)成。這種礦物類(lèi)似于合成陶瓷，但在承受重量或力量時(shí)，海膽的容忍度要高得多。該研究團(tuán)隊(duì)模擬工程陶瓷可能要承受的外部條件，通過(guò)機(jī)械擠壓海膽刺來(lái)進(jìn)行測(cè)試。相比之下，海膽刺在外施加力下會(huì)優(yōu)雅地變形，而目前合成的陶瓷多孔固體則破損嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，海膽刺具有顯著的能量吸收能力，對(duì)損害具有耐受性。
深層結(jié)構(gòu)特征
在研究過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了使海膽在機(jī)械加載過(guò)程中保持完整的奧秘。該校機(jī)械工程系的助理教授Ling Li表示：“海膽刺的結(jié)構(gòu)特征，一是與分支連接有關(guān)，其次在于孔的大小。”
在顯微鏡下，該團(tuán)隊(duì)觀察到相互連接的短分支結(jié)構(gòu)。由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，將這些分支連接在一起。海膽耐損性的秘密之一在于，節(jié)點(diǎn)和分支的數(shù)量之間保持平衡。這個(gè)數(shù)字非常關(guān)鍵，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上的連接分支過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得脆弱、易碎。
第二個(gè)秘密在于分枝之間的空隙或孔隙的大小。研究人員發(fā)現(xiàn)，海膽刺的多孔結(jié)構(gòu)中的縫隙僅略小于分枝的大小。這意味著，一旦分枝斷裂，可以立即被這些較小的開(kāi)口鎖定。斷裂的分枝在孔隙上相互堆疊，形成一個(gè)密集的區(qū)域，仍能承受負(fù)載。
另外，海膽的表面形態(tài)很光滑，不像合成陶瓷那樣有許多微觀缺陷，可能導(dǎo)致?lián)p壞。海膽刺的表面幾乎像玻璃，可達(dá)到納米級(jí)光滑水平。
由于具有分支、孔隙和光滑的表面，海膽刺的重量較輕，可以均勻分布結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，更加有效地吸收能量，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和損害容忍能力。
制造下一代陶瓷
研究人員表示，由于目前的加工方法還不太成熟，這些發(fā)現(xiàn)還無(wú)法應(yīng)用于制造陶瓷。
合成陶瓷通常是通過(guò)塑形和燒制兩個(gè)步驟而制成。在燒制過(guò)程中會(huì)形成微觀缺陷，導(dǎo)致材料強(qiáng)度較低。因此，重建海膽的微觀結(jié)構(gòu)比較困難。Li表示：“希望有一天，不僅可以將這些材料設(shè)計(jì)原理整合到受生物啟發(fā)的輕質(zhì)陶瓷材料中，還可以從自然系統(tǒng)中學(xué)到材料加工策略。”
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