如何匹敵自然之力制備出性能優良的質輕結構材料？

材料牛注：大自然自有其非凡的魅力，在自然環境下，室溫條件下便可以形成具有高強度，良好韌性，質量輕的結構材料。而人工合成則需要在苛刻的高溫條件下才能實現的。近期，在如何制備出性能優良的質輕結構材料方面取得了一些進展。

在自然界中，樹木、貝殼及其他結構材料有著質量輕、強度高、韌性好等優點。很顯而易見，這些材料是在自然環境室溫條件下形成的，并不似人工合成的結構材料通常需要在高溫下方可加工成型。即便是結構相似的材料也難以人工合成。在 Nature Materials的一篇綜述中，某一研究團隊對一系列天然結構材料的共同設計圖進行了評估，并確定了怎樣才能設計和制造能夠模擬自然的結構。他們認為接下來的挑戰主要是對強度和韌性的綜合表征以確定其潛在的多尺度機制。

先進質輕結構材料廣泛用于交通運輸、建筑、電池和能量轉換等各個領域。上述這一評估為其設計原理提供了新的靈感和理解。它將為先進質輕結構材料提供更高效的合成方法。

在自然界中，許多結構材料（木材、貝殼、骨頭等）均是由簡單成分組成的復合材料。它們通常是在環境溫度下組裝而成，具有優異的性能。盡管組成材料本身具有較差的內在特性，但是由于復雜分層結構中硬相和軟相重排，從而使得復合材料表現出優異的外在特性，其尺寸從納米尺寸跨越到宏觀尺寸。

綜述作者確定了在仿生材料領域的兩項基本挑戰：（1）在更廣泛的材料組合中尋找如何充分利用大自然設計圖案的方法；（2）尋找制造強度高、韌性好材料的實際方法，如先進的增材制造技術（3D打印）和鑄造技術。

原文鏈接：How we are matching–or exceeding–nature's ability to make strong, tough lightweight structural materials

本文由材料人糯米糯米提供素材，趙瑾編譯。