弗吉尼亚理工大学 博士后研究员贾子安检查一个海螵蛸微观结构的3D打印模型
信用:彼得意味着弗吉尼亚理工大学
李凌在他的一门机械工程课程中有一课是关于像碳酸钙这样的脆性材料在压力下的行为
在这本书里，他拿起一支由混合物组成的粉笔，把它掰成两半，让他的学生们看到其中一块碎片的边缘
断裂是钝而直的
然后，他扭转第二块，导致更尖锐的碎片以45度角断裂，这表明粉笔上的拉伸应力方向更危险
破碎的白垩有助于李演示易碎的碳酸钙在法向力作用下会发生什么:它易于断裂
“如果你弯曲它，它就会断，”李说
在李的生物和生物材料实验室，他研究的许多海洋动物的生物结构材料都有碳酸钙组成的部分
李说，一些软体动物将它用在光子晶体中，产生生动的彩色显示，“就像蝴蝶的翅膀”
其他人在他们的壳里有用它建造的矿物眼睛
李对这些动物研究得越多，他就越惊讶于它们的身体对本质上易碎的材料的利用
尤其是当它的使用无视这种脆弱性的时候
在《国家科学院院刊》发表的一项研究中，李的研究团队聚焦于乌贼，这是另一种有创造力的白垩造动物，也是海洋深处的旅行者
研究人员研究了海螵蛸的内部微观结构，这是一种软体动物的高度多孔的内壳，他们发现这种微观结构独特的带腔的“壁隔”设计优化了海螵蛸的重量，硬度和耐损伤性
他们的研究深入到给海螵蛸这些高性能机械性能的基础材料设计策略，尽管贝壳的成分主要是易碎的文石，一种碳酸钙的晶体形式
工程学院机械工程系的助理教授李凌拿着一个海螵蛸样本
信用:彼得意味着弗吉尼亚理工大学 在海洋中，乌贼用海螵蛸作为硬浮力箱来控制它在水柱中的上下运动，深度低至600米
动物调整水箱中的气体和水的比例，使其上浮或下沉
为了达到这个目的，乌贼的壳必须重量轻、多孔，以便进行有效的液体交换，同时还要足够坚硬，以保护乌贼的身体在潜入更深处时免受强大的水压
当海螵蛸被压力或捕食者的叮咬压碎时，它必须能够吸收大量的能量
这样，损害就停留在贝壳的局部区域，而不是打碎整个海螵蛸
李的团队在研究海螵蛸的内部结构时发现，平衡所有这些功能的需要是海螵蛸如此独特的原因
公共卫生
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学生和研究的合著者杨婷使用基于同步加速器的微型计算机断层扫描技术对海螵蛸的微观结构进行三维表征，用阿尔贡国家实验室的强X射线束穿透海螵蛸外壳，产生高分辨率图像
她和研究小组通过在机械测试过程中应用原位断层扫描方法，观察了外壳压缩后的微观结构
将这些步骤与数字图像关联相结合，允许逐帧图像比较，他们研究了海螵蛸在载荷下的完全变形和断裂过程
他们的实验揭示了更多关于海螵蛸的“壁隔”微结构及其优化重量、硬度和损伤容限的设计
将从海螵蛸中分离出的立方体样品放入机械试验机中进行压缩测量
信用:彼得意味着弗吉尼亚理工大学 这种设计将海螵蛸分隔成带有地板和天花板的独立房间，或由垂直墙壁支撑的“隔垫”
“其他动物，如鸟类，也有类似的结构，被称为三明治结构
在另一个顶部有一层致密的骨头，中间有垂直的支柱作为支撑，这种结构既轻便又坚固
然而，与三明治结构不同的是，海螵蛸的微观结构有多层——那些小室——它们由波浪墙而不是直支柱支撑
波纹度沿着每面墙从地板到天花板以“波纹度梯度”增加
' “确切的形态我们还没有看到，至少在其他模型中，”该设计的李说
这种隔壁设计使海螵蛸能够控制贝壳的损坏部位和方式
它允许优雅的，而不是灾难性的失败:当压缩时，腔室一个接一个地失败，渐进地而不是瞬间地
研究人员发现，海螵蛸的波浪形墙壁会导致或控制裂缝在墙壁中间形成，而不是在地板或天花板上，这会导致整个结构倒塌
当一个腔室经历壁破裂和随后的致密化(破裂的壁在损坏的腔室中逐渐致密)时，相邻的腔室保持完整，直到破裂的碎片穿透其地板和天花板
在这个过程中，大量的机械能可以被吸收，李解释说，限制了外部冲击
李的团队通过计算建模进一步探索了海螵蛸微观结构的高性能潜力
博士后贾子安(音译)利用早期的三维断层扫描技术对微结构进行了测量，建立了一个参数模型，进行了虚拟测试，改变了结构壁的波纹度，并观察了外壳的表现
“我们知道，海螵蛸有这些波浪形的梯度壁，”李说
“齐安改变了梯度，这样我们就可以了解海螵蛸的行为，如果我们超越这种形态
到底好不好？我们证明了海螵蛸位于最佳位置
如果波纹变得太大，结构就不那么坚硬
如果波浪变小，结构就会变得更加脆弱
海螵蛸似乎找到了一个平衡点，来平衡僵硬和能量吸收
" 李将海螵蛸的微结构设计应用于泡沫陶瓷
在包装、运输和基础设施中用于抗压或吸能的泡沫中，聚合物和金属材料是更受欢迎的选择
李说，泡沫陶瓷很少使用，因为它们易碎
但是陶瓷有自己独特的优势——它们化学性质更稳定，熔点更高
李认为，如果将海螵蛸的特性应用于泡沫陶瓷，其耐高温能力和新发现的损伤容限将使泡沫陶瓷成为航天飞机热防护装置或一般热防护的理想材料
他的团队在另一项研究中评估了这一应用
尽管该团队已经开始从海上仰望天空，探索“海螵蛸”所激发的各种可能性，但他们对“海螵蛸”基本设计策略的研究对李来说同样重要
“大自然制造了许多结构材料，”李说
“这些材料是在室温和正常大气压力下制造的，不像金属那样，对环境有害——你需要对金属使用高温和折射工艺
“我们对生物结构材料和工程结构材料之间的差异很感兴趣
我们能否将这两者联系起来，为制造新的结构材料提供见解？"
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