弗吉尼亚理工大学 研究生志飞·邓在纳米压头上进行纳米力学测试
信用:弗吉尼亚理工大学 弗吉尼亚理工大学机械工程助理教授李凌通过研究双壳类软体动物的壳，发现了建造更坚固更坚硬的陶瓷的见解
这种观点是通过观察外壳中基本矿物构建块预测裂缝的能力形成的，而不是只关注结构的形状和化学性质
他的团队的研究结果发表在11月号
《自然通讯》2020年第10期
李的团队对原产于加勒比海的笔形壳类软体动物的壳的微观结构进行了深入分析
这些动物的壳由两层组成，一层是珍珠质内层，一层是棕色外层
内珍珠层，也被称为珍珠母，通常是彩虹色的，因为它有规则的纳米级分层结构，类似于许多瓶状翅膀的着色机制
李的团队将注意力集中在外层，它是由排列成马赛克图案的棱柱形方解石晶体组成的
相邻矿物晶体之间，非常薄(约0
5微米，不到人类头发的百分之一大小)有机界面将晶体粘合在一起
方解石晶体长约半毫米，直径约50微米，类似细长的棱柱
与许多地质或合成晶体不同，在这些晶体中，晶体颗粒内的原子以周期性的方式完美排列，笔形贝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
生物(左)和地质(右)方解石晶体的扫描电子显微照片，在相同的力(0
5牛)
请注意，在笔形贝壳中发现的生物方解石晶体中的损伤模式是高度局部化的，并且比地质方解石中的损伤模式小得多(大约40微米对
100微米)
信用:弗吉尼亚理工大学 “你可以考虑生物陶瓷，在这种情况下笔形贝壳的方解石晶体，作为一种复合结构，其中许多纳米尺寸的内含物分布在其晶体结构中，”李说
“这一点特别值得注意，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的故障点
这就是为什么通常的方法是最小化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，这些纳米级缺陷在生物矿物中的尺寸、间距、几何形状、取向和分布受到高度控制，不仅提高了结构强度，而且通过受控的开裂和断裂提高了损伤容限
当这些壳受到外力时，晶体通过阻止位错运动(纯方解石塑性变形的一种常见模式)来最小化塑性屈服，这是由内部纳米缺陷辅助的
这种强化机制已应用于许多结构金属合金，如铝合金
除了增加强度，这种设计允许结构使用其裂纹模式，以尽量减少对内壳的损坏
当外力在单个晶体上传播时，棱柱层中方解石晶体的镶嵌状互锁图案进一步包含大规模损伤
该结构能够破裂以耗散外部载荷能量而不会失效
“很明显，这些纳米缺陷不是随机的结构，而是在控制这种天然陶瓷的机械性能方面起着重要作用，”李说
“通过这项研究中发现的机制，生物体真的将原本脆弱易碎的方解石变成了坚固耐用的生物盔甲
我们现在正在试验可能的制造工艺，如三维印刷，以实现这些策略，开发具有增强机械性能的陶瓷复合材料，用于结构应用
"
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