墨鱼骨骼为什么如此强硬?

 钻研人员正在端详一块墨鱼骨微组织的3D打印模型。图片来源:Peter Means for Virginia Tech。 钻研人员正在端详一块墨鱼骨微组织的3D打印模型。图片来源:Peter Means for Virginia Tech。

  Ling Li在一次死板工程课上介绍了碳酸钙等易碎原料在压力下的答变性。在课上,他挑首一支粉笔(由碳酸钙构成)从中心掰成两截,并将一个截断面展现给弟子们望——又钝又直。

  随后他挑首另一根粉笔并扭断它,产生的断面为更尖锐的45度角,外清新粉笔在沿拉答力倾向上更添薄弱。Li借由这根断失踪的粉笔表明,易碎的碳酸钙在平常作用下会折断。Li说道:“倘若你折它,它就会被折断。”

  Li的实验室主要钻研生物学和仿生学原料。他钻研过的海洋动物的生物组织原料,很众都具有碳酸钙组织。有的软体动物行使碳酸钙形成光子晶体组织,具有雄厚的外貌颜色,Li注释道,“就像蝴蝶的翅膀那样。”另一些海洋动物还有由矿物质构成的眼睛和壳。随着对这些动物钻研的深入,Li惊讶地发现,它们的身体正是由这类薄弱易碎的原料构建的,但经历正当的行使,逆而外现出相逆的坚韧特性。

  在发外于《美国科学院院刊》的一篇文章中,Li的团队重点钻研了墨鱼——它也是一栽能创造性地行使碳酸钙构建身体、并能解放在各栽海洋深度中出入的动物。他们钻研了墨鱼骨高度众孔的内部微组织,并发现其具有稀奇的、分腔室的“墙-隔板”(wall-septa)设计。这栽微组织重量极轻、强硬而且耐毁伤。他们的钻研展现了这栽湮没的原料设计策略,使得墨鱼骨具有很高的死板性能,尽管这一组织主要由薄弱的文石(碳酸盐晶体)。

  在海洋中,墨鱼将墨鱼骨当作一个强硬的浮力箱,经历调整浮力箱中的水-气比例,来控制身体所在的深度(可下潜至600米深)。为此,墨鱼骨必须质轻且众孔,以便进走积极的流体交换,同时还要有余强硬,还必要有余强硬以保证墨鱼在深潜时能承受住水压。一旦墨鱼骨由于水压或捕食者的抨击而受损时,它还必要能够摄取大片面能量,从而损坏节制在片面区域,不至于影响整个骨架。

  在钻研墨鱼骨内部微组织的过程中,Li的团队发现,正是由于必要具有众栽功能,墨鱼骨才变得如此稀奇。

  文章的共同作者、博士生Ting Yang行使基于回旋添速器的微型电脑断层扫描技术,构建了墨鱼骨的三维微组织,并行使阿贡国家实验室高功率的X射线扫描墨鱼骨,生成了高分辨率的图片。在死板性能测试过程中,他们借助原位层析成像技术,不悦目察到墨鱼骨被挤压时的内部微组织状态。

  随后,他们又行使电子成像有关技术将这些电子图片有关首来,并逐帧比较和钻研墨鱼骨在载荷下的十足变形和破碎过程。这些实验展现了更众关于墨鱼骨分腔室的“墙-隔板”式微组织,以及其卓异的优化重量、硬度和耐磨损的特性。

一块取自墨鱼骨的立方体状样本被安放在用于压力测试的死板测试台上。图片来源:Peter Means for Virginia Tech一块取自墨鱼骨的立方体状样本被安放在用于压力测试的死板测试台上。图片来源:Peter Means for Virginia Tech

  借助竖直的“墙”组织撑持形成的“地板”和“阻隔”组织,墨鱼骨被分割成很众自力的腔室。鸟类等动物也拥有相通的组织,即所谓的“三明治”组织——两层致密的骨头之间由竖直的阻隔组织撑持,云云使得组织质量轻且扎实。但墨鱼骨的微组织有很众层,用于撑持的“墙”组织也呈波浪状而非竖直的组织,且波浪的幅度从底部到表层逐渐添大,表现一个“波浪状”梯度。

  Li外示,“这是吾们以前从未见过这栽组织,起码其他模型中异国。”“墙-阻隔”的设计使墨鱼骨能够控制毁伤的位置和水平。云云的组织让损坏来得更“软软”:受压时,腔室一层要接一层损坏,这是一个渐进的而非瞬时的过程。

  钻研人员发现墨鱼骨的波状阻隔能将损坏控制在处于中心层的腔室“墙”,而非底层或顶层,否则往往会导致整个组织的损坏。当一个腔室发生损坏并变幼——即被损坏的腔室中破碎的壁面逐渐被压缩,相邻的腔室会保持完善,直到其底层和顶层破碎。Li注释道,在这一过程中,大量的死板能被摄取,节制了外力的影响。

  借助计算机模型,Li的钻研团队进一步钻研了墨鱼骨微组织的潜力。博士后钻研员Zian Jia行使经历三维X射线断层摄影获得的微组织测量数据,构建了一个虚拟的参数模型,经历在模型中测试当腔室墙的波浪状水平转折时,它的性能转折。

  Li外示,“吾们已经清新墨鱼骨的波状阻隔具有必定梯度,Zian经历数学模型转折这一梯度,并钻研具有分歧梯度的模型的性能。转折之后的模型性能更益照样更差?吾们的钻研表明,墨鱼骨的组织是最优的。倘若波状阻隔的梯度偏大,组织硬度就会降矮;倘若偏幼,组织又会变得易碎。墨鱼骨的组织益像处于一个能够均衡强和能量摄取率的最佳状态。”

  Li望到了这栽墨鱼骨微组织在泡沫陶瓷中行使的潜力。在包装、运输和构建基础设施中,人们更倾向行使高聚物和金属原料,来招架冲击或摄取能量。Li外示,泡沫陶瓷由于易碎很少会用到。但陶瓷有其稀奇的上风:化学性质更安详,而且耐高温。

  Li坚信,倘若能将新发现的墨鱼骨抗损坏特性融入泡沫陶瓷,并与其耐高温的特性相结相符,便能够授予该原料理想的性能,并被用于太空飞船或平时炎防护周围。他的团队在另一项单独的钻研中评估这一行使。尽管受到墨鱼骨的启发,该团队已经最先在自然界探寻其他原料的行使潜力,不过对Li来说,钻研墨鱼骨效果基本的设计同样很主要。

  Li外示,“自然界中存在形成了很众组织原料。”这些原料往往在室温暖常压下被制造,而不像金属那样必要进走高温处理,难以在自然环境中生产出来。吾们对生物组织原料和工程组织原料之间存在的迥异,相等入神。也许吾们的钻研还能将两者有关,制造出新的组织原料吗?”

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posted on 2020-10-24  作者:admin  阅读量:

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