弗吉尼亚理工大学机械工程学助理教授李玲通过研究双壳贝类软体动物的壳,发现了构建更坚硬陶瓷的见解。
通过查看壳中基本矿物构造块预测裂缝的能力,而不是仅关注结构的形状和化学性质,可以形成这种观点。该小组的研究结果发表在2020年11月10日的《自然通讯》上。
Li的团队对笔壳软体动物的壳的微观结构进行了深入分析,笔壳软体动物是加勒比海原生的双壳类动物。这些动物的壳由两层组成,内珍珠层和棕色外层。珍珠层的内层,也称为珍珠母,由于其规则的纳米分层结构而经常呈虹彩,类似于许多瓶蝇翅膀的着色机制。
Li的团队将注意力集中在外层,该外层由排列成马赛克图案的棱柱形方解石晶体组成。在相邻的矿物晶体之间,存在非常薄的(约0.5微米,小于人发大小的一百分之一)有机界面,将晶体粘合在一起。方解石晶体的长度约为半毫米,直径约为50微米,类似于细长的棱柱。
与许多地质或合成晶体不同,在它们的晶粒内原子以周期性的方式完美排列,笔壳中的方解石晶体包含许多纳米缺陷,主要由有机物质组成。
“您可以将生物陶瓷(在这种情况下为笔壳的方解石晶体)视为一种复合结构,其中许多纳米级夹杂物分布在其晶体结构中,”李说。“这是特别显着的,因为方解石晶体本身仍然是单晶。”
通常,结构缺陷的存在意味着潜在的故障部位。这就是为什么通常的方法是使工程结构中的结构不连续或应力集中最小化的原因。但是,Li的团队表明,这些纳米级缺陷在生物矿物质中的大小,间距,几何形状,方向和分布受到严格控制,不仅可以提高结构强度,而且可以通过控制开裂和断裂来提高其损伤耐受性。
当这些壳受到外力作用时,晶体会阻止位错运动,从而使塑性屈服最小化,位错运动是纯方解石中塑性变形的常见模式,并受内部纳米级缺陷的辅助。这种强化机制已应用于许多结构金属合金,例如铝合金。
除了增加强度外,这种设计还允许结构使用其裂缝模式来最大程度地减少对内壳的损坏。当外力散布在各个晶体上时,棱镜层中方解石晶体的镶嵌状互锁图案进一步包含了大规模破坏。该结构能够破裂以消散外部负载能量而不会失败。
“显然,这些纳米缺陷不是随机结构,而是在控制这种天然陶瓷的机械性能方面起着重要作用。” “通过这项研究中发现的机制,有机体确实将原来脆弱而易碎的方解石转变为坚固耐用的生物装甲。我们现在正在试验可能的制造工艺,例如3D打印,以实施这些策略来开发增强型陶瓷复合材料。结构应用的机械性能。”