生物仿生：恰到好處的墨魚骨微結構

博士後研究員Zian Jia正在端詳一塊墨魚骨微結構的3D打印模型。@ Peter Means for Virginia Tech.
Ling Li的機械工程課中有一堂在介紹碳酸鈣等易碎材料的應力應變特性。在課上，他拿起一支由這種化合物組成的粉筆並從中間掰成兩截，將其中一半的斷麵展示給他的學生們看——鈍且幹淨。
隨後他拿起另一根粉筆並扭斷它，這時的斷麵更尖銳並呈45度角，表明了粉筆在沿拉應力的方向上更脆弱。這根斷掉的粉筆幫助Li說明了碳酸鈣材料在法向力的作用下將會碎掉。Li說道：“彎折就會使它斷掉。”
在Li的生物和仿生學材料實驗室裏，有他研究過的海洋動物的生物結構材料，其中許多都具有碳酸鈣結構。有的軟體動物以此形成光子晶體，並產生豐富的體色，Li解釋道，“就像蝴蝶的翅膀那樣。”另一些海洋動物則有礦物質的眼睛和殼。對這些動物研究得越深入，Li就越驚訝——它們的身體是由這類脆弱易碎的材料構建的，但卻恰到好處，甚至有時表現出相反的堅韌特性。
在發表於《美國國家科學院院刊》的一篇文章中，Li的團隊重點研究了墨魚，一種創造性地利用類似粉筆那樣的材料構建身體、並能自由出入深海的動物。研究人員研究了墨魚骨的高度多孔內部微結構，並發現其具有獨特的、分腔室的“房架(wall-septa)”設計，該微結構重量極輕、堅硬而且耐損傷。他們的研究揭示了墨魚骨擁有優異機械性能的原因（墨魚骨主要由文石構成，這是一種碳酸鹽組成的晶體結構，易碎），獲得了提升易碎材料結構性能的設計策略。


工程學院機械工程係的助理教授Ling Li正在端詳一塊墨魚骨樣本。@ Peter Means for Virginia Tech
在海洋中，墨魚將墨魚骨當作一個堅硬的浮力箱，通過調整浮力箱中的水氣比例，來控製自身的浮沉（可下潛至600米深）。為此，墨魚骨必須質輕且多孔，以便主動流體交換，同時還要足夠堅硬，以保護墨魚的身體在深潛時不因水壓過高而被破壞。一旦墨魚骨因為水壓或捕食者的攻擊而受損時，受損部分必須能夠吸收大部分能量，從而將損害限製在局部區域，不至於影響整個骨架。
在研究墨魚骨內部微結構的過程中，Li的團隊發現，正是為了平衡上述多種能力，墨魚骨才變得如此獨特。
博士生和共同作者Ting Yang使用基於回旋加速器的微型電腦X射線斷層掃描技術來構建墨魚骨的3維微結構。她利用阿貢(Argonne)國家實驗室高功率的X射線掃描墨魚骨，並生成高分辨率的圖片。機械測試過程中，他們借助原位層析成像技術，觀察到墨魚骨內部微結構在被擠壓時的狀態。再利用電子成像相關技術講這些狀態聯係起來，進而逐幀比較圖片並研究墨魚骨在載荷下的完全變形和破壞過程。
他們的研究揭示了更多關於墨魚骨分腔室的“房架式”微結構，及其優異的重量、硬度和抗毀壞特性。


一塊取自墨魚骨的立方體狀樣本被放置在用於壓力測試的機械測試台上。@ Peter Means for Virginia Tech
借助由豎直“隔斷”支撐的“地板”和“屋頂”(septa)，墨魚骨被分割成許多獨立的腔室。鳥類等動物也擁有類似的結構，即所謂的三明治結構——兩層致密的骨頭之間由豎直的隔斷支撐，這樣的結構質量輕而且堅固。而墨魚骨不僅如此，其微結構有許多層，用於支撐的豎直隔斷也呈波浪狀而非豎直的結構，且波浪的幅度從底部到上層逐漸增大，呈現一個“波浪梯度”。
設計者Li表示，“這是我們以前從未見過的結構，至少其他模型中沒有。”房架–隔斷的設計使墨魚骨能夠控製損傷的位置和程度。這樣的結構讓損壞來得更“輕柔”：受壓時，腔室一層要接一層毀壞，這是一個漸進的而非瞬時的過程。
研究人員發現墨魚骨的波狀隔斷誘導或是說將毀壞控製在中間層，而非底層或頂層，否則往往會導致整個結構的破壞。當一個腔室發生毀壞並在隨後致密化——即被毀壞的腔室中破碎的壁麵逐漸被壓縮，相鄰的腔室會保持完整直到碎片穿透其底層和頂層。Li解釋道，在這一過程中，大量的機械能被吸收，限製了外力的影響。
借助計算機模型，Li的團隊進一步研究了墨魚骨微結構的潛力。博士後研究員Zian Jia利用3維X射線斷層攝影得到的微結構測量數據，構建了一個參數化模型，並計算該模型采用不同波浪狀隔斷的性能。
Li表示，“我們已經知道墨魚骨的波狀隔斷具有一定梯度，Zian(利用數學模型)改變這一梯度，並研究不同於墨魚骨擁有的梯度的模型性能。改變之後的模型性能更好還是更差？我們證明了墨魚骨的結構最優。如果波狀隔斷的梯度偏大，結構硬度就會降低；如果偏小，結構又會變得易碎。墨魚骨(的結構)似乎處於一個能夠平衡強度和能量吸收率的最佳狀態。”
Li看到了墨魚骨微結構設計在泡沫陶瓷中的應用潛力。在包裝、運輸和基礎設施(建設)中，人們更傾向使用高聚物和金屬材質的泡沫來抵抗衝擊或吸收能量。Li表示，泡沫陶瓷由於易碎很少會用到。但陶瓷有其獨特的優勢：化學性質更穩定，而且耐高溫。
Li相信，如果能夠將新發現的墨魚骨的抗毀壞特性融入泡沫陶瓷，與其耐高溫的特性相結合，便能夠賦予該材料理想的性能，並被用於太空飛船或日常熱防護領域。他的團隊在另一項單獨的研究中評估這一應用。
盡管受到墨魚骨的啟發，該團隊已經開始從整個自然界探尋應用潛力，不過對Li來說，研究墨魚骨(結構)基本的設計策略同樣很重要。
Li表示，“自然界中形成了許多結構材料。”這些材料往往在室溫和常壓下被製造，而不像金屬那樣需要進行高溫和折射處理，很難在自然環境中生產出來。
“我們著迷於生物結構材料和工程結構材料之間存在的這些差異。有可能在這兩者間建立聯係並為製造新的結構材料提供洞見嗎？”
翻譯：張宇哲
審校：董子晨曦
引進來源：物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-09-cuttlebone-microstructure-sweet.html


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