研究人员破解生物陶瓷中隐藏的强化机制

弗吉尼亚理工大学机械工程助理教授 Ling Li 通过研究双壳类软体动物的壳，发现了建造更坚固、更坚固的陶瓷的见解。这种观点是通过观察壳中基本矿物构建块预测裂缝的能力而形成的，而不是仅关注结构的形状和化学成分。他的小组的研究结果发表在 2020 年 11 月 10 日的《自然通讯》杂志上。

李的团队对笔壳软体动物(原产于加勒比地区的双壳类动物)的外壳微观结构进行了深入分析。这些动物的壳由两层组成，内层珍珠层和棕色外层。内部珍珠层，也称为珍珠母，由于其规则的纳米级分层结构，通常呈彩虹色，类似于许多瓶蝇翅膀的着色机制。

李的团队将注意力集中在外层，它由以马赛克图案排列的棱柱形方解石晶体组成。在相邻的矿物晶体之间，存在着将晶体粘合在一起的非常薄(约 0.5 微米，不到人类头发大小的百分之一)的有机界面。的方解石晶体测量的大约一半的长度一毫米，直径50微米，类似于细长棱镜。

与许多地质或合成晶体不同，它们晶粒内的原子以周期性方式完美排列，笔壳中的方解石晶体包含许多纳米级缺陷，主要由有机物质组成。

“你可以将生物陶瓷，在这种情况下，笔壳的方解石晶体视为一种复合结构，其中许多纳米级的内含物分布在其晶体结构中，”李说。“这尤其值得注意，因为方解石晶体本身仍然是单晶。”

通常，结构缺陷的存在意味着潜在故障的位置。这就是为什么通常的方法是尽量减少工程结构中的结构不连续性或应力集中。然而，李的团队表明，生物矿物中这些纳米级缺陷的大小、间距、几何形状、取向和分布是高度可控的，不仅可以提高结构强度，还可以通过控制开裂和断裂来提高损伤容限。

当这些壳受到外力时，晶体会通过阻止位错运动(纯方解石中塑性变形的常见模式)来最大限度地减少塑性屈服，并借助这些内部纳米缺陷。这种强化机制已应用于许多结构金属合金，例如铝合金。

除了增加强度之外，这种设计还允许结构利用其裂缝模式来最大限度地减少对内壳的损坏。棱柱层中方解石晶体的马赛克状互锁图案进一步包含当外力分散在单个晶体上时的大规模损伤。该结构能够开裂以消散外部加载能量而不会失效。

“显然，这些纳米级缺陷不是随机结构，而是在控制这种天然陶瓷的机械性能方面发挥着重要作用，”李说。“通过这项研究中发现的机制，生物体确实将原本脆弱易碎的方解石变成了坚固耐用的生物装甲。我们现在正在试验可能的制造工艺，例如 3D 打印，以实施这些策略来开发陶瓷复合材料为结构应用提供增强的机械性能。”

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