{首页主词},&

海洋生物帶給我們的啟發(fā)——新型人造材料

2017-06-29 11:09:23 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料科技在線(xiàn) 分享至：

維納斯花籃海綿中到海底的錨具有一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以增加它們的彎曲能力圖片來(lái)源：Kesari Lab /布朗大學(xué)

維納斯花籃（即偕老同穴，一種生活在深海中的海綿動(dòng)物，因其精致的白色網(wǎng)絡(luò)狀形體而得此名）被稱(chēng)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(fā)一樣的錨，它們基本上是由玻璃制成的。這是一項(xiàng)非常重要的工作，新的研究也表明，正是由于這些錨中被稱(chēng)為basalia針的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得他們能夠做到這一點(diǎn)。

這些針狀體的直徑大約是人頭發(fā)的一半，它們是由25個(gè)石英圓柱體組成的中央硅（玻璃）芯組成。從它的橫截面上來(lái)看，這種排列就像樹(shù)干中的年輪一樣。這項(xiàng)由布朗大學(xué)工程學(xué)院研究人員進(jìn)行的新研究表明，與缺乏樹(shù)環(huán)結(jié)構(gòu)的不同海綿類(lèi)針狀物相比，這種經(jīng)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(xué)的研究生也是該研究的第一作者，他說(shuō)：“我們比較了兩種具有非常相似化學(xué)成分的天然材料，其中一種具有這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而另一種則沒(méi)有。雖然以前已經(jīng)測(cè)量了該針狀體的力學(xué)性能，但這還是第一個(gè)將體系結(jié)構(gòu)的影響與針狀體特性相分離的研究，并且還量化了體系結(jié)構(gòu)是如何增強(qiáng)針狀體彎曲能力的。”

這種可彎曲性能夠使得針狀體進(jìn)入海底的淤泥中，有助于確保海綿的牢固附著。研究人員說(shuō)，更好地了解這種內(nèi)部針狀結(jié)構(gòu)的工作方式，對(duì)開(kāi)發(fā)新的人造材料也會(huì)有所幫助。

該研究已經(jīng)在“生物醫(yī)學(xué)材料力學(xué)行為學(xué)報(bào)”上發(fā)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(lái)源：Kesari Lab/布朗大學(xué)

HaneeshKesari是布朗工程學(xué)院的助理教授，也是該研究的共同作者，當(dāng)他第一次看到basalia針的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，立刻就對(duì)該模式的一致性和規(guī)律性產(chǎn)生了濃厚的興趣。他說(shuō)：“這看起來(lái)就像一個(gè)數(shù)學(xué)書(shū)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(fā)表了一份分析報(bào)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(shù)學(xué)上是最優(yōu)的，因此可以最大化針狀體的強(qiáng)度。

這項(xiàng)最新研究是針對(duì)研究人員所認(rèn)為的，對(duì)于針狀錨重要作用的一個(gè)更直接測(cè)試：彎曲失效應(yīng)變，表示某種物質(zhì)在不發(fā)生斷裂的情況下產(chǎn)生的彎曲程度。

Monn說(shuō)：“直觀(guān)地說(shuō)，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(guān)的機(jī)械性能將是彎曲失效應(yīng)變。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)試針狀體彎曲程度的儀器。針狀體被放置在一個(gè)中間有間隙的平臺(tái)上。然后將一個(gè)小的楔子降低到針尖上，將其彎曲成空隙。用設(shè)備一側(cè)的攝像頭拍照，以提供精確測(cè)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(yuǎn)比puffball海綿（下圖）大圖片來(lái)源：Kesari Lab/布朗大學(xué)

Monn和Kesari使用該裝置來(lái)測(cè)試維納斯花籃上的basalia針狀物以及來(lái)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(xué)成分，都是由二氧化硅組成的。但是，puffball針狀物缺乏花籃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，兩者之間彎曲應(yīng)變的差異可歸因于該結(jié)構(gòu)的不同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，花籃針狀體可以比單純的針狀體多彎曲140%。

Monn說(shuō)：”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(dāng)驚人的。工程師們經(jīng)常使用一種叫做euler - bernoulli光束理論的模型，來(lái)計(jì)算一個(gè)光束在負(fù)載下彎曲的程度，但只有當(dāng)彎曲程度非常小的時(shí)候才適用。

Monn說(shuō)：“這就是說(shuō)，我們用來(lái)分析工程材料時(shí)運(yùn)用的機(jī)械測(cè)試的經(jīng)典理論，在處理生物材料時(shí)可能并不準(zhǔn)確。因此，我們也需要改變我們的分析方法，而不僅僅是重復(fù)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(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)出合適的模型，以解釋這些自然結(jié)構(gòu)的特性，并最終將這些結(jié)構(gòu)用于制造新的人造材料。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話(huà)：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。