以前在层状材料中曲率和韧性之间的未知关系对生物启动复合材料具有影响

时间：2021-09-14 15:52:10 来源：

将海绵物种Euplectella曲叶穴位的锚穗具有复杂层状内部结构。已知类似的分层结构，用于增加骨骼和裸养等材料的韧性。但是这项新研究发现，斑块中的分层几乎没有提高韧性。研究人员说，该研究可以帮助避免“天真的生物化”。

展望灵感性质的工程师已经假设像软体动物炮弹中发现的分层结构增强了材料的韧性，但研究表明并非总是如此。

纳卡尔 - 软体动物贝壳的彩虹色部分 - 是生物启发设计的海报儿童。尽管是由脆性粉笔制成的，但纳卡人的错综复杂的层状微观结构使其能够抵抗裂缝的扩散，其具有称为韧性的材料性能。

希望设计更强硬材料的工程师长期以来寻求模仿这种自然分层，也发现了在海螺壳，鹿鹿角和其他地方。但布朗大学研究人员的新研究是谨慎：并非所有分层结构都很艰难。

该研究发表于自然通信，测试了另一个用于其物理性质的分层微观结构 - 叫做Euplectella曲氏菌的海绵的锚固穗。穗分层是层状玻璃的微小细丝，将海绵悬挂在海底。研究人员所说的，分层的分层结构通常是将珍珠狼的结构进行比较，并且已经假设分子结构类似地增强韧性。这项新的研究另外发现。

“尽管珍珠虫和欧洲植物山脉的架构之间存在相似之处，但我们发现，在最近毕业的博士学位的Max Monn说，Spicule的架构在提高其韧性方面相对较少。棕色和学习同志的学生。

研究人员发现，当分层架构弯曲时，裂缝可以从层到层传播。否定通常与僵硬的生物材料中的分层相关的韧性增强。

对于该研究，研究人员将欧洲血栓菌的韧性与Thetya Aurantia的另一个海绵物种的韧性进行了比较。乳酸酯穗对欧彭切除穗的类似化学成分，但缺乏层状结构。为了测试韧性，团队将小穗口放入小槽中，然后弯曲它们。通过测量从弯曲菌株的凹口传播的裂缝消耗的能量，研究人员可以量化两种类型的穗的韧性。

该实验表明两种穗之间的韧性差异很小，这表明Euplectella的分层不提供大部分韧性增强。使用计算机建模，研究人员能够深入了解为什么分层增强某些材料中的韧性而不是其他材料。该模型表明，圆柱形分子中的层状曲率似乎关闭了层状结构的韧性增强。研究人员说，平坦的层似乎可以防止裂缝从一层蔓延到下一个层。但是，在弯曲层的材料中，如欧洲术斑块，裂缝能够从层跳到层，而不是在层之间停止。

该研究结果揭示了层状材料中曲率和韧性之间的先前未知的关系，并对生物启发式复合材料设计有影响，棕色工程学院助理教授Haneesh Kesari表示，韩文助教教授和纸质高级作者。

“具体来说，它表明，如果您采用分层架构以增强材料的韧性，则应注意需要层弯曲的区域，”Kesari说。“我们对零食的测量和来自我们的计算模型的结果表明，弯曲层不提供与层平坦的韧性增强量相同的韧性增强量。”

结果并不意味着欧洲血栓菌的分层结构并不有趣。从Kesari的实验室的以前的工作表明，分层结构似乎大大增加了穗状体弯曲强度 - 在发生故障之前承受大的弯曲曲率。研究人员表示，弯曲力量和韧性是非常不同的机械性能，并帮助消除分层始终增强韧性的想法，这是一般的生物启发设计的有用洞察力。

“我们的研究表明，并非所有分层的架构都提供了重大的韧性增强，”棕色研究生和学习合唱团Sayaka Kochiyama说。“更好地了解结构性质关系，以避免幼稚的生物化。”

参考：“僵硬生物材料的板状架构不得始终是增强复合材料韧性的模板，”由Michael A. MONN，Kaushik Vijaykumar，Sayaka Kochiyama和Haneesh Kesari，17岁，1920年1月17日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-019-14128-8

该研究得到了海军研究办公室（N000141812494），目前的科学基金会（1562656），美国机械工程师协会和美国宇航局罗德岛空间拨款联盟。

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