今日Science：一种在多节海星中具有抗损伤、双尺度、单晶微晶格的多孔材料

【引言】

在开发结构材料时，减重往往被认为是首要目标，它反过来又减少了材料的使用量、能源消耗和环境影响。一种有效的解决方案是通过引入孔隙来产生多孔固体。传统的多孔固体包括具有三维随机孔隙率的蜂窝状和开闭孔泡沫。最近，通过计算设计和增材制造的发展，建筑蜂窝材料进一步扩展了传统蜂窝固体的机械性能空间，同时实现了负泊松比和负刚度等不寻常的物理特性。目前的人工合成的建筑学蜂窝结构都是基于原子尺度的多晶或非晶态材料。这些人工合成的建筑材料往往表现出灾难性的失效，特别是那些具有陶瓷和玻璃成分的材料。为了解决这些性能上的一些局限性，并利用尺寸效应和分层设计策略的优势，最近的研究表明，陶瓷纳米晶格可以表现出很高的能量吸收能力。然而，这些材料的强度通常受到其特征尺寸的限制，如空心纳米晶格中的壁厚，保持在亚100 nm范围内，以达到较高的相对强度和刚度。

今日，美国弗吉尼亚理工大学Ling Li课题组，报道了在多节海星的生物矿化骨架中发现的一种不寻常的双尺度单晶微晶格。这种结构具有菱形条纹周期极小表面几何结构(晶格常数约30微米)，其方向与组成方解石在原子尺度上的c轴对齐。这种具有晶格级结构梯度和位错的双尺度晶体共取向微晶格多孔材料，结合生物方解石的原子级贝壳状断裂行为，显着提高了这种分级生物微晶格的损伤耐受性，从而为设计合成架构提供了重要的见解。相关研究成果以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”为题发表在Science上。

【图文导读】

图1. 多节骨质层中的金刚石-TPMS微晶格

图2. 金刚石-TPMS结构中的晶格位错

图3. 双尺度单晶金刚石-TPMS晶格

图4. 金刚石-TPMS微晶格的力学性能

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