墨魚是一種獨(dú)特的海洋軟體動(dòng)物，它能產(chǎn)生一種內(nèi)部生物礦化的殼，稱為墨魚骨。它擁有超輕型的細(xì)胞結(jié)構(gòu)（孔隙度約93 vol％），起到墨魚在海洋中的浮力調(diào)控作用。盡管墨魚骨主要由脆性礦物組成，但該結(jié)構(gòu)具有很高的抗破壞性，并且能夠承受約20個(gè)大氣壓的水壓。盡管在生物學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)清楚了其功能要求，但尚未建立用于實(shí)現(xiàn)如此卓越的機(jī)械性能和極輕量的基礎(chǔ)材料設(shè)計(jì)策略。雖然已有研究開發(fā)出具有超高比剛度的材料，但這些材料的高比剛度是通過(guò)壓縮/拉伸為主的變形機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，缺乏有效的防破壞機(jī)制。因此，了解墨魚骨如何同時(shí)滿足較高的比剛度和輕量化，可以為提高材料的損傷耐受性提供新的見解。研究人員已嘗試模仿墨魚骨的幾何形狀，但由于對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形機(jī)制的不完全了解，未能開發(fā)出可與其相比的硬陶瓷材料。
美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)Ling Li等人通過(guò)互補(bǔ)的三維（3D）結(jié)構(gòu)和四維（4D）力學(xué)分析，以及參數(shù)化力學(xué)建模來(lái)建立墨魚骨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合基于原位同步加速器的微型計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)和機(jī)械測(cè)試，作者可視化和量化了墨魚骨的詳細(xì)破壞過(guò)程。3D結(jié)構(gòu)化量化法進(jìn)一步使得仿生模型能夠在不同尺度的機(jī)械性能和設(shè)計(jì)下進(jìn)行研究。結(jié)果表明，墨魚骨已經(jīng)進(jìn)化出一種最佳的有腔“壁-隔片”微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高剛度以及抗破壞性。該研究以題為“Mechanical design of the highly porous cuttlebone: A bioceramic hard buoyancy tank for cuttlefish”的論文發(fā)表在《PNAS》上。
【仿生墨魚】
墨魚因其卓越的智力、極端的偽裝和獨(dú)特的視覺系統(tǒng)而引起了科學(xué)家和公眾的廣泛興趣。與大多數(shù)身體外部覆蓋有硬殼以進(jìn)行保護(hù)的軟體動(dòng)物不同，墨魚的“殼體”是在內(nèi)部，而且其結(jié)構(gòu)高度多孔（孔隙度約為93 vol％）。這使得墨魚可以通過(guò)調(diào)節(jié)殼內(nèi)的氣液比來(lái)調(diào)節(jié)其浮力，類似于鸚鵡螺。與生活中用于游泳的來(lái)調(diào)節(jié)浮力的游泳袋不同，墨魚骨是由> 90％的文石構(gòu)成的堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，文石是許多軟體動(dòng)物貝殼中常見的礦物。研究證明，墨魚控制墨魚骨內(nèi)流體的鹽離子濃度，從而控制流體的滲透壓，然后調(diào)節(jié)流體的充放電以調(diào)節(jié)浮力。盡管大多數(shù)墨魚生活在淺水區(qū)，但某些物種棲息在600 m的深處。這要求墨魚骨必須承受較高的外部水壓，以免發(fā)生災(zāi)難性的破壞。因此墨魚骨必須實(shí)現(xiàn)既堅(jiān)硬又能耐受損傷。
圖1 墨魚骨的結(jié)構(gòu)
【研究?jī)?nèi)容】
該研究結(jié)合定量的三維（3D）結(jié)構(gòu)特征、四維（4D）力學(xué)分析、數(shù)字圖像相關(guān)性和參數(shù)模擬，揭示了墨魚骨具有特殊的腔室及其“壁–隔片”微觀結(jié)構(gòu)。與其他自然或工程材料相比，墨魚骨加載時(shí)能同時(shí)具有高比剛度（8.4 MN·m / kg）和高能量吸收（4.4 kJ / kg）。研究證明，在有腔的墨魚骨微結(jié)構(gòu)中的垂直壁已經(jīng)演化出最佳的波紋度梯度，這導(dǎo)致了壓縮為主的變形和不對(duì)稱的壁破裂，從而實(shí)現(xiàn)了高剛度和高能量吸收。此外，發(fā)現(xiàn)壁的特殊分布能減少水平隔壁內(nèi)的應(yīng)力集中，促進(jìn)了腔室的壓碎應(yīng)力和更顯著的致密化過(guò)程。該研究揭示的設(shè)計(jì)策略可以為開發(fā)低密度、堅(jiān)硬和耐破壞的蜂窩結(jié)構(gòu)陶瓷提供重要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
圖2 基于同步加速器μ-CT的原位力學(xué)分析
圖3剛度、強(qiáng)度和抗破壞之間的平衡
【研究展望與意義】
蜂窩狀結(jié)構(gòu)固體材料或泡沫由于其輕質(zhì)且有一定的機(jī)械性能，而成為包裝、運(yùn)輸和基礎(chǔ)設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)前的蜂窩狀結(jié)構(gòu)材料主要由金屬或聚合材料制成，而陶瓷具有更高的比剛度和強(qiáng)度，并且在化學(xué)上更穩(wěn)定，因此可能會(huì)更好地實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。然而，限制陶瓷多孔固體材料作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的是它們的脆性和缺陷敏感性。因此，克服多孔陶瓷的脆性，使其更輕巧，同時(shí)達(dá)到更高的剛度、強(qiáng)度和能量吸收率，是具有挑戰(zhàn)性的，但對(duì)許多應(yīng)用而言卻至關(guān)重要。在這項(xiàng)研究中，作者闡明了墨魚骨是如何通過(guò)“壁-隔片”微結(jié)構(gòu)來(lái)克服其固有的脆性，這可能會(huì)激發(fā)輕質(zhì)陶瓷多孔材料的發(fā)展。
圖4 腔室的機(jī)械性能
總結(jié)：作者結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了墨魚骨由于其不對(duì)稱的壁破裂、廣泛的致密化和逐腔破壞，而獲得了高能量吸收和損傷耐受的特性。該研究的參數(shù)模擬進(jìn)一步提供了有關(guān)壁波紋度、壁覆蓋及其統(tǒng)計(jì)變化如何協(xié)同增強(qiáng)機(jī)械性能的定量理論。作者的分析建立了墨魚骨的宏觀響應(yīng)與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并揭示了其同時(shí)針對(duì)輕質(zhì)、高剛度和高能量吸收的特性優(yōu)化。總之，作者重點(diǎn)介紹了關(guān)于墨魚骨研究中獲得的一些重要策略，這些策略有望用于設(shè)計(jì)工程多孔陶瓷和晶格超材料。
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