一周不到，仿生材料發完Nature又發Nat. Mater

2020-09-23 研之成理

前言

前幾天，我們剛剛介紹了Nature上關於人工表面納米塗層技術的論文，作者從果蠅眼角膜納米塗層獲得啟發，使用了生物化學分析和基因改造技術來反向設計視網膜蛋白（Retinin）和角膜蠟作為納米結構的構造基礎。利用逆向工程和正向工程相結合的方法，提供了一種利用可生物降解材料經濟實用地生產功能性納米結構塗層的方法。

一周時間不到，仿生材料又在Nature Materials上發表了論文，這一次是從海綿的骨骼系統得到啟發來進行材料設計，下面進行具體介紹。

▲第一作者：Matheus C. Fernandes

通訊作者：James C. Weaver  and Katia Bertoldi
通訊單位：哈佛大學

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-020-0798-1

背景介紹

六放海綿綱（Hexactinellid），又稱玻璃海綿綱，是多孔動物門的一綱。骨骼中無海綿質。多分布於500～8500m的深海。形態結構表現出很多原始性特徵，也有特殊結構。因為其卓越的層次結構和跨多個長度尺度的機械堅固性，已受到工程領域和材料領域的極大關注。其中一種名為偕老同穴（Euplectella aspergillum）的海綿的骨骼系統，由一個覆蓋著兩套對角支撐的正方形網格狀建築組成，形成了一個類似於棋盤格狀的開閉細胞模式。儘管針狀體的層合結構在阻礙裂紋擴展和增加屈曲強度方面的作用已經在以前得到了證明，但由這些組成的針狀體組合而形成的雙對角正方形晶格的潛在力學好處仍未得到很大程度的探索。因此，系統研究海綿骨骼結構，有助於實現幾何優化的正方形晶格幾何，以避免整體結構屈曲，對改進現代基礎結構應用中的材料使用具有指導意義。

本文亮點

1. 作者選用了六放海綿的礦化骨骼系統作為研究對象，其組成的玻璃狀骨骼元素（骨針）呈現一個核殼結構，內核是中央蛋白質，外殼是由固結二氧化矽納米粒子和薄有機中間層組成的交替同心層。

2. 本文結合有限元模擬和對不同晶格幾何形狀的3D列印樣本進行的機械測試，證明了海綿的對角線加固策略可在給定數量的材料上實現最高的抗屈強度。

3. 作者通過使用進化優化算法，證明了靈感源自海綿的晶格幾何形狀接近了所考慮的設計空間的最佳材料分布。

圖文解析

圖1: 六放海綿的代表性骨骼系統

● 逐漸放大的海綿骨骼系統結構視圖，顯示整個骨骼結構。高度規則的晶格狀組織的放大視圖；棋盤格狀的開放細胞和封閉細胞的交替排列。比例尺：（a）4 cm; (b) 2 cm; (c) 2.5 mm

●（d）理想化桁架模型(綠線表示垂直桁架單元和水平桁架單元，藍線表示對角桁架單元)在海綿基底骨架結構上的複合材料覆蓋

●（e）設計方案A示意圖


圖2: 實驗和數值結果

●（a-d）四種不同結構設計方案示意圖。在每個結構方案中，基礎方形建築長度為L，矩形截面的特徵深度為H，從而保證平面足夠大，以避免平面外變形。

●（e）基於四種設計方案的3d列印模型在0%的外加應力(上排)和6%的外加應力(下排)下的機械變形快照。標尺，3cm。

●（f）對四種設計方案的獨立測試樣品進行模擬和歸一化實驗的應力-應變曲線。曲線的顏色與（a-d）中的顏色相對應。

● 曲線兩個關鍵特徵：（1）所有採用對角加固的設計(即a,b,c)具有幾乎相同的初始彈性響應特徵，這表明不同的對角加固設計不會影響結構的初始整體剛度。D方案因為更厚的垂直和水平元素，表現出了更高的初始剛度。（2）各曲線均顯示出明顯的最大承載能力，其中基於海綿結構啟發的a設計可承受最大荷載。


圖3：結構對不同加載角度響應的數值結果

●（a）結構的有效剛度E作為加載角θ的函數的變化。在任何加載角度下，所有含對角加固設計的結構的剛度幾乎是相同的，進一步證實了結構的剛度主要受沿加載方向分配的材料數量的控制。

●（b）四種結構在加載角度為0時的歸一化臨界屈曲模型

●（c）不同晶格結構設計的歸一化有效失穩應力作為加載角θ的函數的變化

●（d）考慮到D方案的屈曲模式的全局性質，性能很大程度上會受到邊界效應的影響，當考慮一個由10×10 RVEs組成的有限尺寸結構時，臨界屈曲應力會大大降低。


圖4: 優化結果和實驗驗證

● 在證明了基於海綿啟發的A方案結構與方案B-D相比的優點之後，通過優化參數結構參數，設計了另一種具有更高臨界屈曲應力的對角增強方形網格設計。

●（a）不同對角加固線數的臨界屈曲載荷的最優值；各點的顏色代表最優質量比λ。最優值僅比A方案高9.55%，並且發生在類似於海綿結構的設計中。

●（b）對A方案和最優晶格設計的獨立測試樣品進行模擬和歸一化實驗的應力-應變曲線。實驗結果驗證了數值預測的正確性。

●（c）最佳設計的實驗快照在0%的外加應力(左)和6%的外加應力(右)。標尺，3cm。


圖5：細長結構三點彎曲試驗的數值和實驗結果

●（a）三點彎曲加載11×2方形單元的細長結構布置結果；當施加位移時，反作用力被測量並繪製在（b）中，展示了幾種不同幾何形狀下的反作用力。

● 實驗數據和有限元模擬結果都表明，海綿啟發的方案A更加強健，在更大的應用位移範圍內可以承受多達15%的更高荷載。


原文連結：https://doi.org/10.1038/s41563-020-0798-1

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