包括材料科學(xué)在內(nèi)的各個學(xué)科的科學(xué)家們長期以來一直受到自然奇觀的啟發(fā)。為了創(chuàng)造具有增強機械性能的新型材料，科學(xué)家們目前正在嘗試設(shè)計仿生材料——模仿生物結(jié)構(gòu)的人造材料。其目標(biāo)是復(fù)制經(jīng)過數(shù)百萬年進化而完善的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以克服金屬和陶瓷等傳統(tǒng)材料的有限強度、延展性和抗斷裂性。
創(chuàng)造仿生材料
張明陽(Mingyang Zhang)老師領(lǐng)導(dǎo)的一項研究曾發(fā)表在Nature Communications上，作者從三種海洋生物中獲得了靈感: 海蝸牛、螳螂蝦和蛤蜊。研究人員從海螺殼的珍珠層復(fù)制了一種類似磚和砂漿的結(jié)構(gòu)，從蝦的外骨骼復(fù)制了一種類似布利岡結(jié)構(gòu)的扭曲的木材結(jié)構(gòu)，從蛤蜊殼復(fù)制了一種交叉的板層結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)在自然狀態(tài)下都表現(xiàn)出了性能。
代表性生物原型(海螺、螳螂蝦、蛤蜊)的磚和砂漿、布利岡和交叉板層結(jié)構(gòu)同時展示。此外，還展示了仿生支架和浸潤復(fù)合材料。參考圖1: 3D打印Ti-6Al-4V支架的仿生結(jié)構(gòu)及其滲透的Mg-Ti復(fù)合材料。| Nature Communications
為了創(chuàng)建該結(jié)構(gòu)，團隊選擇使用3D打印鈦結(jié)合鎂的第二相。他們選擇這兩種金屬是因為它們的剛度差異很大，這反映了生物材料中不同的剛度。通過使用3D打印，他們能夠從下往上構(gòu)建結(jié)構(gòu)——模仿自然形成的過程。這一過程也使他們能夠制造出一種多孔支架，這種支架可以在不需要壓力的情況下被鎂滲透。
材料被制造出來之后，研究小組使用X射線和電子顯微鏡來評估是否有孔隙。然后，他們對材料施加拉力，造成斷裂，并再次對材料成像。Thermo Scientific™ Avizo™ 軟件處理并激活了成像數(shù)據(jù)，該軟件提供了先進的圖像分割、3D可視化和定量分析，使研究團隊能夠清楚地看到并量化骨折結(jié)構(gòu)。
使用Avizo軟件進行斷裂表征
使用Avizo軟件中的圖像分割工具，團隊能夠自動識別和突出材料中的斷裂。圖像顯示，斷裂并不是在材料中直線移動，而是有偏轉(zhuǎn)和扭曲。
圖中顯示了SEM圖像和CT容積再現(xiàn)的磚和砂漿(a)、布利岡 (b)和交叉板層(c)結(jié)構(gòu)。白色箭頭表示裂縫。
將他們的材料與其他材料進行比較后，研究小組發(fā)現(xiàn)，仿生材料在強度和延展性方面表現(xiàn)出了*性。特別是，受蛤蜊殼啟發(fā)的交叉層狀結(jié)構(gòu)成為了堅固的結(jié)構(gòu)。
最終，該研究表明，仿生材料具有更強的強度和耐用性，在結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面可能是傳統(tǒng)材料的具有前景的替代品。這也清楚地展示了先進的成像設(shè)備和軟件如何與高科技制造和測試相結(jié)合，從而實現(xiàn)了原本不可能實現(xiàn)的科學(xué)飛躍。
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Nature Communications：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9#Abs1
Luigi Raspolini是賽默飛世爾科技公司的產(chǎn)品專家
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