墨魚是一種獨特的海洋軟體動物，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個大氣壓的水壓。盡管在生物學領(lǐng)域已經(jīng)清楚了其功能要求，但尚未建立用于實現(xiàn)如此卓越的機械性能和極輕量的基礎(chǔ)材料設(shè)計策略。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壓縮/拉伸為主的變形機制實現(xiàn)的，缺乏有效的防破壞機制。因此，了解墨魚骨如何同時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，但由于對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形機制的不完全了解，未能開發(fā)出可與其相比的硬陶瓷材料。
美國弗吉尼亞理工大學Ling Li等人通過互補的三維（3D）結(jié)構(gòu)和四維（4D）力學分析，以及參數(shù)化力學建模來建立墨魚骨的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合基于原位同步加速器的微型計算機斷層掃描技術(shù)和機械測試，作者可視化和量化了墨魚骨的詳細破壞過程。3D結(jié)構(gòu)化量化法進一步使得仿生模型能夠在不同尺度的機械性能和設(shè)計下進行研究。結(jié)果表明，墨魚骨已經(jīng)進化出一種最佳的有腔“壁-隔片”微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可實現(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、極端的偽裝和獨特的視覺系統(tǒng)而引起了科學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行保護的軟體動物不同，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調(diào)節(jié)殼內(nèi)的氣液比來調(diào)節(jié)其浮力，類似于鸚鵡螺。與生活中用于游泳的來調(diào)節(jié)浮力的游泳袋不同，墨魚骨是由> 90％的文石構(gòu)成的堅硬結(jié)構(gòu)，文石是許多軟體動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)生災難性的破壞。因此墨魚骨必須實現(xiàn)既堅硬又能耐受損傷。
圖1 墨魚骨的結(jié)構(gòu)
【研究內(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，墨魚骨加載時能同時具有高比剛度（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，這導致了壓縮為主的變形和不對稱的壁破裂，從而實現(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)的應力集中，促進了腔室的壓碎應力和更顯著的致密化過程。該研究揭示的設(shè)計策略可以為開發(fā)低密度、堅硬和耐破壞的蜂窩結(jié)構(gòu)陶瓷提供重要的經(jīng)驗教訓。
圖2 基于同步加速器μ-CT的原位力學分析
圖3剛度、強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)且有一定的機械性能，而成為包裝、運輸和基礎(chǔ)設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)材料。當前的蜂窩狀結(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度，并且在化學上更穩(wěn)定，因此可能會更好地實現(xiàn)該目標。然而，限制陶瓷多孔固體材料作為結(jié)構(gòu)件應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，同時達到更高的剛度、強度和能量吸收率，是具有挑戰(zhàn)性的，但對許多應用而言卻至關(guān)重要。在這項研究中，作者闡明了墨魚骨是如何通過“壁-隔片”微結(jié)構(gòu)來克服其固有的脆性，這可能會激發(fā)輕質(zhì)陶瓷多孔材料的發(fā)展。
圖4 腔室的機械性能
總結(jié)：作者結(jié)合多種實驗技術(shù)，揭示了墨魚骨由于其不對稱的壁破裂、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)模擬進一步提供了有關(guān)壁波紋度、壁覆蓋及其統(tǒng)計變化如何協(xié)同增強機械性能的定量理論。作者的分析建立了墨魚骨的宏觀響應與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并揭示了其同時針對輕質(zhì)、高剛度和高能量吸收的特性優(yōu)化?？傊?，作者重點介紹了關(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)計工程多孔陶瓷和晶格超材料。
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