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  具有輕質(zhì)高強(qiáng)、減震吸能、隔熱隔音等優(yōu)異性能的多孔材料在航空航天、輕量化軍事裝備等方面都有廣泛應(yīng)用。然而，目前人工合成的多孔材料，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和性能優(yōu)越性方面遠(yuǎn)仍落后于竹子、骨骼、木材等許多天然生物多孔材料。向自然學(xué)習(xí)，通過模仿天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征并理解其優(yōu)異性能的潛在機(jī)制將有助于設(shè)計下一代高性能多孔材料。

  墨魚是海洋里游速最快的無脊椎動物，在海水中游泳的速度通�？蛇_(dá)每秒15米以上，最大時速可達(dá)150公里，被稱為“水中火箭”。天然墨魚骨作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的多孔材料，具有90%以上的孔隙度，但卻能承受水下100到400米的靜水壓，且在墨魚復(fù)雜的運動過程中仍能保持機(jī)械穩(wěn)定性。浙江大學(xué)柏浩課題組受天然墨魚骨結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計制備了輕質(zhì)、高強(qiáng)并且具有高能量吸收能力的新型多孔材料。該仿墨魚骨材料能夠承受超過自身5萬倍的重量。該研究為利用生物啟發(fā)3D打印設(shè)計和制造高性能多孔材料提供了一種有效的方法。

  該團(tuán)隊通過micro-CT發(fā)現(xiàn)天然墨魚骨為層狀結(jié)構(gòu)，層間由不對稱波浪壁連接。天然墨魚骨的層層斷裂方式使其具有零泊松比的性質(zhì)，這種失效方式有利于墨魚骨避免整體性破壞，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（如圖1）。

圖1：天然墨魚骨的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。(a, b) 天然墨魚及墨魚骨光學(xué)照片；(c) SEM照片顯示天然墨魚骨為層狀多孔結(jié)構(gòu)，層間由均勻分布的墻壁隔開；(d) 由micro-CT圖像重建的天然墨魚骨的三維結(jié)構(gòu)，顯示平行的層板由不對稱的s形波浪壁支撐；(e-f) 腹部側(cè)和脊背側(cè)的橫截面顯示出墻壁的不對稱性；(g) 墨魚骨的壓縮曲線顯示出長平臺期，層層斷裂機(jī)制使其具有零泊松比和高能量吸收性能。

  通過不同模型的對比，發(fā)現(xiàn)天然墨魚骨的不對稱波浪壁結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)高抗壓縮和抗剪切的性能。波浪壁結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度為直壁結(jié)構(gòu)的10倍。不對稱波浪壁結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度為對稱波浪壁結(jié)構(gòu)的2倍（圖2）。

圖2：仿生模型的制備、測試及模擬。(a-c) CAD設(shè)計的仿生模型；（d-f）3D打印模型的光學(xué)圖；(g-i) 仿生模型的有限元模擬；(j, k) 壓縮與剪切測試結(jié)果。

  此外，該團(tuán)隊設(shè)計的仿墨魚骨多層結(jié)構(gòu)材料也顯示出類似于天然墨魚骨的層層斷裂方式，證明了層狀結(jié)構(gòu)有助于提高能量吸收能力，且可防止整體性破壞（圖3）。

圖3：仿墨魚骨結(jié)構(gòu)多孔材料與其他多孔材料的對比。(a) 3D打印多層仿墨魚骨結(jié)構(gòu)材料的壓縮測試光學(xué)圖；(b-e) 3D打印仿墨魚骨材料與其他點陣多孔材料光學(xué)照片；(f) 四種結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比；(g)比強(qiáng)度和能量吸收性能對比。

  該工作揭示了天然墨魚骨的復(fù)雜層狀波浪壁結(jié)構(gòu)對于同時獲得高孔隙率和優(yōu)異力學(xué)性能的重要作用，為設(shè)計和制造高性能多孔材料提供了新的策略。

  以上成果發(fā)表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2021, 2007348）。博士生茅安然為第一作者，柏浩研究員為通訊作者，其他作者包括博士后趙妮芳和博士生梁亞輝。該研究同時得到了浙江大學(xué)航空航天學(xué)院陳彬教授的指導(dǎo)。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007348

  柏浩課題組網(wǎng)站：https://person.zju.edu.cn/bai/