博士后研究员Zian Jia正在端详一块墨鱼骨微结构的3D打印模型。@ Peter Means for Virginia Tech.
Ling Li的机械工程课中有一堂在介绍碳酸钙等易碎材料的应力应变特性。在课上，他拿起一支由这种化合物组成的粉笔并从中间掰成两截，将其中一半的断面展示给他的学生们看——钝且干净。
随后他拿起另一根粉笔并扭断它，这时的断面更尖锐并呈45度角，表明了粉笔在沿拉应力的方向上更脆弱。这根断掉的粉笔帮助Li说明了碳酸钙材料在法向力的作用下将会碎掉。Li说道：“弯折就会使它断掉。”
在Li的生物和仿生学材料实验室里，有他研究过的海洋动物的生物结构材料，其中许多都具有碳酸钙结构。有的软体动物以此形成光子晶体，并产生丰富的体色，Li解释道，“就像蝴蝶的翅膀那样。”另一些海洋动物则有矿物质的眼睛和壳。对这些动物研究得越深入，Li就越惊讶——它们的身体是由这类脆弱易碎的材料构建的，但却恰到好处，甚至有时表现出相反的坚韧特性。
在发表于《美国国家科学院院刊》的一篇文章中，Li的团队重点研究了墨鱼，一种创造性地利用类似粉笔那样的材料构建身体、并能自由出入深海的动物。研究人员研究了墨鱼骨的高度多孔内部微结构，并发现其具有独特的、分腔室的“房架(wall-septa)”设计，该微结构重量极轻、坚硬而且耐损伤。他们的研究揭示了墨鱼骨拥有优异机械性能的原因（墨鱼骨主要由文石构成，这是一种碳酸盐组成的晶体结构，易碎），获得了提升易碎材料结构性能的设计策略。
工程学院机械工程系的助理教授Ling Li正在端详一块墨鱼骨样本。@ Peter Means for Virginia Tech
在海洋中，墨鱼将墨鱼骨当作一个坚硬的浮力箱，通过调整浮力箱中的水气比例，来控制自身的浮沉（可下潜至600米深）。为此，墨鱼骨必须质轻且多孔，以便主动流体交换，同时还要足够坚硬，以保护墨鱼的身体在深潜时不因水压过高而被破坏。一旦墨鱼骨因为水压或捕食者的攻击而受损时，受损部分必须能够吸收大部分能量，从而将损害限制在局部区域，不至于影响整个骨架。
在研究墨鱼骨内部微结构的过程中，Li的团队发现，正是为了平衡上述多种能力，墨鱼骨才变得如此独特。
博士生和共同作者Ting Yang使用基于回旋加速器的微型电脑X射线断层扫描技术来构建墨鱼骨的3维微结构。她利用阿贡(Argonne)国家实验室高功率的X射线扫描墨鱼骨，并生成高分辨率的图片。机械测试过程中，他们借助原位层析成像技术，观察到墨鱼骨内部微结构在被挤压时的状态。再利用电子成像相关技术讲这些状态联系起来，进而逐帧比较图片并研究墨鱼骨在载荷下的完全变形和破坏过程。
他们的研究揭示了更多关于墨鱼骨分腔室的“房架式”微结构，及其优异的重量、硬度和抗毁坏特性。
一块取自墨鱼骨的立方体状样本被放置在用于压力测试的机械测试台上。@ Peter Means for Virginia Tech
借助由竖直“隔断”支撑的“地板”和“屋顶”(septa)，墨鱼骨被分割成许多独立的腔室。鸟类等动物也拥有类似的结构，即所谓的三明治结构——两层致密的骨头之间由竖直的隔断支撑，这样的结构质量轻而且坚固。而墨鱼骨不仅如此，其微结构有许多层，用于支撑的竖直隔断也呈波浪状而非竖直的结构，且波浪的幅度从底部到上层逐渐增大，呈现一个“波浪梯度”。
设计者Li表示，“这是我们以前从未见过的结构，至少其他模型中没有。”房架–隔断的设计使墨鱼骨能够控制损伤的位置和程度。这样的结构让损坏来得更“轻柔”：受压时，腔室一层要接一层毁坏，这是一个渐进的而非瞬时的过程。
研究人员发现墨鱼骨的波状隔断诱导或是说将毁坏控制在中间层，而非底层或顶层，否则往往会导致整个结构的破坏。当一个腔室发生毁坏并在随后致密化——即被毁坏的腔室中破碎的壁面逐渐被压缩，相邻的腔室会保持完整直到碎片穿透其底层和顶层。Li解释道，在这一过程中，大量的机械能被吸收，限制了外力的影响。
借助计算机模型，Li的团队进一步研究了墨鱼骨微结构的潜力。博士后研究员Zian Jia利用3维X射线断层摄影得到的微结构测量数据，构建了一个参数化模型，并计算该模型采用不同波浪状隔断的性能。
Li表示，“我们已经知道墨鱼骨的波状隔断具有一定梯度，Zian(利用数学模型)改变这一梯度，并研究不同于墨鱼骨拥有的梯度的模型性能。改变之后的模型性能更好还是更差？我们证明了墨鱼骨的结构最优。如果波状隔断的梯度偏大，结构硬度就会降低；如果偏小，结构又会变得易碎。墨鱼骨(的结构)似乎处于一个能够平衡强度和能量吸收率的最佳状态。”
Li看到了墨鱼骨微结构设计在泡沫陶瓷中的应用潜力。在包装、运输和基础设施(建设)中，人们更倾向使用高聚物和金属材质的泡沫来抵抗冲击或吸收能量。Li表示，泡沫陶瓷由于易碎很少会用到。但陶瓷有其独特的优势：化学性质更稳定，而且耐高温。
Li相信，如果能够将新发现的墨鱼骨的抗毁坏特性融入泡沫陶瓷，与其耐高温的特性相结合，便能够赋予该材料理想的性能，并被用于太空飞船或日常热防护领域。他的团队在另一项单独的研究中评估这一应用。
尽管受到墨鱼骨的启发，该团队已经开始从整个自然界探寻应用潜力，不过对Li来说，研究墨鱼骨(结构)基本的设计策略同样很重要。
Li表示，“自然界中形成了许多结构材料。”这些材料往往在室温和常压下被制造，而不像金属那样需要进行高温和折射处理，很难在自然环境中生产出来。
“我们着迷于生物结构材料和工程结构材料之间存在的这些差异。有可能在这两者间建立联系并为制造新的结构材料提供洞见吗？”
翻译：张宇哲
审校：董子晨曦
引进来源：物理学家组织网
本文来自：中国数字科技馆
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