墨魚骨骼為什麼如此堅硬？

2020-10-22 遼瀋晚報瀋陽時刻

　研究人員正在端詳一塊墨魚骨微結構的3D列印模型。圖片來源：Peter Means for Virginia Tech。

　　Ling Li在一次機械工程課上介紹了碳酸鈣等易碎材料在壓力下的應變性。在課上，他拿起一支粉筆（由碳酸鈣組成）從中間掰成兩截，並將一個截斷面展示給學生們看——又鈍又直。

　　隨後他拿起另一根粉筆並扭斷它，產生的斷面為更尖銳的45度角，表明了粉筆在沿拉應力方向上更加脆弱。Li藉由這根斷掉的粉筆說明，易碎的碳酸鈣在正常作用下會折斷。Li說道：「如果你折它，它就會被折斷。」

　　Li的實驗室主要研究生物學和仿生學材料。他研究過的海洋動物的生物結構材料，許多都具有碳酸鈣結構。有的軟體動物利用碳酸鈣形成光子晶體結構，具有豐富的表面顏色，Li解釋道，「就像蝴蝶的翅膀那樣。」另一些海洋動物還有由礦物質組成的眼睛和殼。隨著對這些動物研究的深入，Li驚訝地發現，它們的身體正是由這類脆弱易碎的材料構建的，但通過恰當的使用，反而表現出相反的堅韌特性。

　　在發表於《美國科學院院刊》的一篇文章中，Li的團隊重點研究了墨魚——它也是一種能創造性地利用碳酸鈣構建身體、並能自由在各種海洋深度中出入的動物。他們研究了墨魚骨高度多孔的內部微結構，並發現其具有獨特的、分腔室的「牆-隔板」（wall-septa）設計。這種微結構重量極輕、堅硬而且耐損傷。他們的研究揭示了這種潛在的材料設計策略，使得墨魚骨具有很高的機械性能，儘管這一結構主要由脆弱的文石（碳酸鹽晶體）。

　　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，來控制身體所在的深度（可下潛至600米深）。為此，墨魚骨必須質輕且多孔，以便進行積極的流體交換，同時還要足夠堅硬，還需要足夠堅硬以保證墨魚在深潛時能承受住水壓。一旦墨魚骨因為水壓或捕食者的攻擊而受損時，它還需要能夠吸收大部分能量，從而損害限制在局部區域，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，正是因為需要具有多種功能，墨魚骨才變得如此獨特。

　　文章的共同作者、博士生Ting Yang使用基於回旋加速器的微型電腦斷層掃描技術，構建了墨魚骨的三維微結構，並利用阿貢國家實驗室高功率的X射線掃描墨魚骨，生成了高解析度的圖片。在機械性能測試過程中，他們藉助原位層析成像技術，觀察到墨魚骨被擠壓時的內部微結構狀態。

　　隨後，他們又利用電子成像相關技術將這些電子圖片聯繫起來，並逐幀比較和研究墨魚骨在載荷下的完全變形和破碎過程。這些實驗揭示了更多關於墨魚骨分腔室的「牆-隔板」式微結構，以及其優異的優化重量、硬度和耐磨損的特性。

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臺上。圖片來源：Peter Means for Virginia Tech

　　藉助豎直的「牆」結構支撐形成的「地板」和「隔斷」結構，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——兩層緻密的骨頭之間由豎直的隔斷結構支撐，這樣使得結構質量輕且堅固。但墨魚骨的微結構有許多層，用於支撐的「牆」結構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「波浪狀」梯度。

　　Li表示，「這是我們以前從未見過這種結構，至少其他模型中沒有。」「牆-隔斷」的設計使墨魚骨能夠控制損傷的位置和程度。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能將損壞控制在處於中間層的腔室「牆」，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變小——即被毀壞的腔室中破碎的壁面逐漸被壓縮，相鄰的腔室會保持完整，直到其底層和頂層破碎。Li解釋道，在這一過程中，大量的機械能被吸收，限制了外力的影響。

　　藉助計算機模型，Li的研究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利用通過三維X射線斷層攝影獲得的微結構測量數據，構建了一個虛擬的參數模型，通過在模型中測試當腔室牆的波浪狀程度改變時，它的性能變化。

　　Li表示，「我們已經知道墨魚骨的波狀隔斷具有一定梯度，Zian通過數學模型改變這一梯度，並研究具有不同梯度的模型的性能。改變之後的模型性能更好還是更差？我們的研究證明，墨魚骨的結構是最優的。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和能量吸收率的最佳狀態。」

　　Li看到了這種墨魚骨微結構在泡沫陶瓷中應用的潛力。在包裝、運輸和構建基礎設施中，人們更傾向使用高聚物和金屬材料，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，如果能將新發現的墨魚骨抗毀壞特性融入泡沫陶瓷，並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。儘管受到墨魚骨的啟發，該團隊已經開始在自然界探尋其他材料的應用潛力，不過對Li來說，研究墨魚骨結果基本的設計同樣很重要。

　　Li表示，「自然界中存在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處理，難以在自然環境中生產出來。我們對生物結構材料和工程結構材料之間存在的差異，十分著迷。或許我們的研究還能將兩者聯繫，製造出新的結構材料嗎？」

來源：環球科學

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