海洋生物帶給我們的啟發——新型人造材料
2017-06-29 11:09:23
作者：本網整理 來源：材料科技在線
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維納斯花籃海綿中到海底的錨具有一種內部結構，可以增加它們的彎曲能力 圖片來源：Kesari Lab /布朗大學
維納斯花籃（即偕老同穴，一種生活在深海中的海綿動物，因其精致的白色網絡狀形體而得此名）被稱為“維納斯”花籃的海綿被固定在海床上，只剩下一排薄薄的、像頭發一樣的錨，它們基本上是由玻璃制成的。這是一項非常重要的工作，新的研究也表明，正是由于這些錨中被稱為basalia針的內部結構，使得他們能夠做到這一點。
這些針狀體的直徑大約是人頭發的一半，它們是由25個石英圓柱體組成的中央硅（玻璃）芯組成。從它的橫截面上來看，這種排列就像樹干中的年輪一樣。這項由布朗大學工程學院研究人員進行的新研究表明，與缺乏樹環結構的不同海綿類針狀物相比，這種經處理的basalia針在斷裂前，彎曲能力是以往的2.4倍。
Michael Monn是布朗大學的研究生也是該研究的第一作者，他說：“我們比較了兩種具有非常相似化學成分的天然材料，其中一種具有這種復雜的結構，而另一種則沒有。雖然以前已經測量了該針狀體的力學性能，但這還是第一個將體系結構的影響與針狀體特性相分離的研究，并且還量化了體系結構是如何增強針狀體彎曲能力的。”
這種可彎曲性能夠使得針狀體進入海底的淤泥中，有助于確保海綿的牢固附著。研究人員說，更好地了解這種內部針狀結構的工作方式，對開發新的人造材料也會有所幫助。
該研究已經在“生物醫學材料力學行為學報”上發表了。
在骨架的基部可以看到維納斯花籃海綿中的針狀物 圖片來源：Kesari Lab/布朗大學
HaneeshKesari是布朗工程學院的助理教授，也是該研究的共同作者，當他第一次看到basalia針的內部結構時，立刻就對該模式的一致性和規律性產生了濃厚的興趣。他說：“這看起來就像一個數學書中的人物”。
從此，Kesari一直在努力了解建筑的意義。在2015年，Kesari，Monn和幾位同事發表了一份分析報告，表明這些針狀物同心層的排列方式（即厚度從中心向外逐漸減少），在數學上是最優的，因此可以最大化針狀體的強度。
這項最新研究是針對研究人員所認為的，對于針狀錨重要作用的一個更直接測試：彎曲失效應變，表示某種物質在不發生斷裂的情況下產生的彎曲程度。
Monn說：“直觀地說，如果這些針狀物能夠在淤泥中扭曲，那么這些針狀物就可以更好的錨定。這將使它們比拉直的難度更大，與理想功能最相關的機械性能將是彎曲失效應變。
在這項研究中，研究人員使用了一種專門用來測試針狀體彎曲程度的儀器。針狀體被放置在一個中間有間隙的平臺上。然后將一個小的楔子降低到針尖上，將其彎曲成空隙。用設備一側的攝像頭拍照，以提供精確測量針狀體在斷裂前的彎曲程度。
維納斯花籃上的針狀物（上圖）彎曲程度遠比puffball海綿（下圖）大 圖片來源：Kesari Lab/布朗大學
Monn和Kesari使用該裝置來測試維納斯花籃上的basalia針狀物以及來自不同物種的針狀物——橙色泡泡海綿。兩組針狀物具有大致相同的直徑和基本相同的化學成分，都是由二氧化硅組成的。但是，puffball針狀物缺乏花籃的內部結構。因此，兩者之間彎曲應變的差異可歸因于該結構的不同。
實驗結果表明，花籃針狀體可以比單純的針狀體多彎曲140%。
Monn說：”由于它們基本上是由玻璃制成的，所以他們的彎曲程度是相當驚人的。工程師們經常使用一種叫做euler - bernoulli光束理論的模型，來計算一個光束在負載下彎曲的程度，但只有當彎曲程度非常小的時候才適用。
Monn說：“這就是說，我們用來分析工程材料時運用的機械測試的經典理論，在處理生物材料時可能并不準確。因此，我們也需要改變我們的分析方法，而不僅僅是重復我們一直在研究工程材料的方法。”
Monn希望像這樣的研究，能夠提供所需的數據來設計出合適的模型，以解釋這些自然結構的特性，并最終將這些結構用于制造新的人造材料。
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