海星双尺度单晶微晶格的图示。学分:李凌(弗吉尼亚理工大学)和詹姆斯·c·韦弗(哈佛大学)与金属和聚合物基材料相比，陶瓷能更好地承受高温和腐蚀环境，但其易碎的性质往往使其容易破碎。这种行为可能会给试图制造轻质多孔材料的创新者带来问题，解释了为什么泡沫陶瓷通常不被用作结构部件。面对开发轻质、高强度陶瓷材料的挑战，机械工程助理教授李凌向一位意想不到的合作者寻求设计灵感:来自热带印度洋-太平洋的多节海星。通过研究这种不同寻常的海洋物种复杂而高度有序的矿化骨骼系统，李和他的研究团队发现了一种意想不到的特性组合，这可能会导致开发一种全新的高性能轻质陶瓷复合材料。《科学》杂志在最近的封面故事中介绍了他们的发现。
通过多孔来发光
汽车和航空制造等行业对设计坚固和轻质材料非常感兴趣，将更高燃油效率的经济性与强度相结合。工业发现这种平衡很难达到，因为更坚固的材料通常具有高密度，因此重量更重。
经过数百万年的进化，大自然想出了一个巧妙的方法来解决这个问题:使用多孔材料。内部多孔性的引入潜在地创造了极其轻质和机械高效的材料。
以听小骨为基础的结节海星骨骼。功劳:、陈、贾子安、邓、陈、自然界存在多孔材料的几种例子。这些包括人体骨骼系统、植物的茎和蜜蜂的蜂巢。如果你把这些天然材料放在显微镜下，你会很快发现它们充满了微小的空隙或小室。自然生长非常有效地形成这些多孔生物结构，并且这种形成经常导致意想不到的复杂内部几何形状。
在生物和生物启发材料实验室，李和他的团队正在研究天然轻质陶瓷结构，目标是开发新的材料设计原则，以解决陶瓷泡沫和建筑材料的机械弱点。
“我们的总体目标是从大自然中学习和获取灵感，开发新型多孔材料，”李宇春说。"大自然为设计既坚固又耐破坏的多孔材料提供了许多很好的材料经验."
此前，该团队发现，海螵蛸(乌贼的内部骨骼)独特的基于腔室的生物陶瓷结构同时具有坚固、坚硬和抗断裂的特性，同时仍允许浮力调节。这个项目和其他类似的项目激发了团队研究自然多孔设计在微尺度上的其他应用。
海星双尺度单晶微晶格的图示。荣誉:李凌(弗吉尼亚理工大学)和詹姆斯·韦弗(哈佛大学)海星骨架:一种天然建筑陶瓷格子
在这项工作中，李和他的团队将目光转向了多节海星的骨架。广泛分布在整个印度-太平洋地区，该物种的干骨架经常被用于家庭装饰。这些海星的特征是从它们的背部表面突起的锥形突起，阻止捕食者。
在纳米表征与制造实验室()观察这些海星骨架样品时，李(音译)和博士生(该论文的第一作者之一，现为麻省理工学院的博士后研究员)做了一项引起他们兴趣的观察:在微尺度上，海星骨架呈现出一种具有非常规则的分支排列的晶格结构，与之前研究的铜海星和海胆刺的多孔结构截然不同。事实上，这种海星独特的骨骼组织展示了这类无脊椎动物有史以来最高的结构规则性。这种规则的网格状结构与现代人类建筑工程中常用的空间框架桁架结构有显著的相似之处。
该团队想知道这种天然陶瓷晶格材料是如何实现机械保护的，因为海星的骨骼是由方解石制成的，方解石是碳酸钙(白垩)的结晶形式。任何熟悉户外玩耍的孩子都知道，人行道上的粉笔非常脆，很容易折断。然而，海星的身体显示出高强度和灵活性。揭示这种结构的基本原理可能有助于解决制造更坚固的多孔陶瓷的挑战。
听小骨中的钻石-TPMS结构。功劳:、陈、贾子安、邓、陈、团队的发现出乎意料。和其他海星物种一样，多节星的骨骼由许多毫米大小的骨骼元素组成，称为听小骨。这些听小骨与软组织相连，使动物能够灵活活动。李和他的团队发现，每个听小骨都是由一个微格结构构成的，这种结构非常均匀，可以用数学方法来描述，它是由分支通过节点连接而成的，类似于埃菲尔铁塔的结构。更有趣的是，研究小组发现微晶格的均匀结构，由于其原子的排列，本质上是原子级的单晶结构。
“这种独特的材料就像一个周期晶格，由一块方解石单晶雕刻而成，”李说。“这种近乎完美的微晶格在自然界中从未被报道过，也从未被合成制造过。大多数高度规则的晶格材料是通过将材料与小晶体结合以产生复合材料而制成的，但这是新的。它是作为一个整体生长的。”
听小骨中菱形-TPMS结构的骨骼化网络。功劳:、陈、贾子安、邓、陈、这种结构可以让海星在特定的方向上加强骨骼，提供更好的保护。此外，动物似乎可以沿着选定的方向和特定的区域增厚分支，以类似于人体改变多孔骨骼局部几何形状以适应身体活动的方式提高其机械性能。在海星中，研究人员还发现了该结构似乎修改了其设计的规则晶格模式的区域，这一特征抑制了微晶格断裂时的裂纹扩展。
帕特里夏·多芬(Patricia Dove)，生物矿化专家，大学杰出教授，弗吉尼亚理工大学地球科学系的C.P. Miles科学教授，说这一生物发现可能会对生物启发创新领域产生重大影响。
“生活在高度掠夺性海底环境中的海星和其他棘皮动物揭示了一个对生物生存至关重要的材料创新世界，”多芬说。“生物学只使用海水和一些有机成分，就能指导形成非凡的骨骼，比如海星的骨骼。这种对基础机械工程特性的新颖研究作为新材料设计的前沿具有巨大的潜力。”
扫描电镜图像显示海星骨骼系统由许多听小骨组成，呈现周期性的微晶格结构。信用:李凌(弗吉尼亚理工大学)下一步是什么？
了解自然微结构的结构是一个巨大的进步，但李和他的团队有更多的问题。这种生物生长骨骼的方式有没有一把钥匙，可能会对它们的繁殖方式有所启发？
李和他的合作者使用3D打印来建模和生成这些复杂晶格结构的大规模版本，用于研究和教育目的，这是理解这些独特几何形状复杂性的有用方法。虽然李团队创建的3D打印模型确实在视觉上具有启发性，但将新的、更强大的陶瓷微建筑推向市场所需的技术仍在未来。目前，3D打印机生产微米级的结构，但打印陶瓷仍然需要烧制最终产品，这可能会引入许多不受控制的微小孔和裂纹。这些缺陷使得结构极其脆弱。李希望3D打印领域的不断进步和对海星骨架等生物结构形成机制的进一步了解最终能提供一个解决方案。
带有海星骨架和3D打印比例模型的李凌。信用:弗吉尼亚理工大学的亚历克斯·帕里什“大自然能够在室温和环境压力下组装矿物前体，形成复杂的结构，”李说。“这是现代人类技术目前无法实现的。弗吉尼亚理工大学对自然界中发现的矿物结构有着浓厚的研究兴趣，我希望这一令人兴奋的研究方向有朝一日可能会导致各种受生物启发的、更坚固、更轻质的材料的开发。”
该论文的其他作者包括弗吉尼亚理工大学的研究生·陈、·邓、·陈，以及哈佛大学的博士后贾子安、詹姆斯·韦弗和鲍登学院的艾米丽·彼得曼。
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