今日Science：一種在多節海星中具有抗損傷、雙尺度、單晶微晶格的多孔材料

【引言】

在開發結構材料時，減重往往被認為是首要目標，它反過來又減少了材料的使用量、能源消耗和環境影響。一種有效的解決方案是通過引入孔隙來產生多孔固體。傳統的多孔固體包括具有三維隨機孔隙率的蜂窩狀和開閉孔泡沫。最近，通過計算設計和增材制造的發展，建筑蜂窩材料進一步擴展了傳統蜂窩固體的機械性能空間，同時實現了負泊松比和負剛度等不尋常的物理特性。目前的人工合成的建筑學蜂窩結構都是基于原子尺度的多晶或非晶態材料。這些人工合成的建筑材料往往表現出災難性的失效，特別是那些具有陶瓷和玻璃成分的材料。為了解決這些性能上的一些局限性，并利用尺寸效應和分層設計策略的優勢，最近的研究表明，陶瓷納米晶格可以表現出很高的能量吸收能力。然而，這些材料的強度通常受到其特征尺寸的限制，如空心納米晶格中的壁厚，保持在亞100 nm范圍內，以達到較高的相對強度和剛度。

今日，美國弗吉尼亞理工大學Ling Li課題組，報道了在多節海星的生物礦化骨架中發現的一種不尋常的雙尺度單晶微晶格。這種結構具有菱形條紋周期極小表面幾何結構(晶格常數約30微米)，其方向與組成方解石在原子尺度上的c軸對齊。這種具有晶格級結構梯度和位錯的雙尺度晶體共取向微晶格多孔材料，結合生物方解石的原子級貝殼狀斷裂行為，顯著提高了這種分級生物微晶格的損傷耐受性，從而為設計合成架構提供了重要的見解。相關研究成果以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”為題發表在Science上。

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【圖文導讀】

圖1. 多節骨質層中的金剛石-TPMS微晶格

圖2. 金剛石-TPMS結構中的晶格位錯

圖3. 雙尺度單晶金剛石-TPMS晶格

圖4. 金剛石-TPMS微晶格的力學性能

文獻鏈接：“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus.” Science (2022). DOI: 10.1126/science.abj9472