海洋生物带给我们的启发——新型人造材料
2017-06-29 11:09:23
作者：本网整理 来源：材料科技在线
维纳斯花篮海绵中到海底的锚具有一种内部结构，可以增加它们的弯曲能力 图片来源：Kesari Lab /布朗大学
维纳斯花篮（即偕老同穴，一种生活在深海中的海绵动物，因其精致的白色网络状形体而得此名）被称为“维纳斯”花篮的海绵被固定在海床上，只剩下一排薄薄的、像头发一样的锚，它们基本上是由玻璃制成的。这是一项非常重要的工作，新的研究也表明，正是由于这些锚中被称为basalia针的内部结构，使得他们能够做到这一点。
这些针状体的直径大约是人头发的一半，它们是由25个石英圆柱体组成的中央硅（玻璃）芯组成。从它的横截面上来看，这种排列就像树干中的年轮一样。这项由布朗大学工程学院研究人员进行的新研究表明，与缺乏树环结构的不同海绵类针状物相比，这种经处理的basalia针在断裂前，弯曲能力是以往的2.4倍。
Michael Monn是布朗大学的研究生也是该研究的第一作者，他说：“我们比较了两种具有非常相似化学成分的天然材料，其中一种具有这种复杂的结构，而另一种则没有。虽然以前已经测量了该针状体的力学性能，但这还是第一个将体系结构的影响与针状体特性相分离的研究，并且还量化了体系结构是如何增强针状体弯曲能力的。”
这种可弯曲性能够使得针状体进入海底的淤泥中，有助于确保海绵的牢固附着。研究人员说，更好地了解这种内部针状结构的工作方式，对开发新的人造材料也会有所帮助。
该研究已经在“生物医学材料力学行为学报”上发表了。
在骨架的基部可以看到维纳斯花篮海绵中的针状物 图片来源：Kesari Lab/布朗大学
HaneeshKesari是布朗工程学院的助理教授，也是该研究的共同作者，当他第一次看到basalia针的内部结构时，立刻就对该模式的一致性和规律性产生了浓厚的兴趣。他说：“这看起来就像一个数学书中的人物”。
从此，Kesari一直在努力了解建筑的意义。在2015年，Kesari，Monn和几位同事发表了一份分析报告，表明这些针状物同心层的排列方式（即厚度从中心向外逐渐减少），在数学上是最优的，因此可以最大化针状体的强度。
这项最新研究是针对研究人员所认为的，对于针状锚重要作用的一个更直接测试：弯曲失效应变，表示某种物质在不发生断裂的情况下产生的弯曲程度。
Monn说：“直观地说，如果这些针状物能够在淤泥中扭曲，那么这些针状物就可以更好的锚定。这将使它们比拉直的难度更大，与理想功能最相关的机械性能将是弯曲失效应变。
在这项研究中，研究人员使用了一种专门用来测试针状体弯曲程度的仪器。针状体被放置在一个中间有间隙的平台上。然后将一个小的楔子降低到针尖上，将其弯曲成空隙。用设备一侧的摄像头拍照，以提供精确测量针状体在断裂前的弯曲程度。
维纳斯花篮上的针状物（上图）弯曲程度远比puffball海绵（下图）大 图片来源：Kesari Lab/布朗大学
Monn和Kesari使用该装置来测试维纳斯花篮上的basalia针状物以及来自不同物种的针状物——橙色泡泡海绵。两组针状物具有大致相同的直径和基本相同的化学成分，都是由二氧化硅组成的。但是，puffball针状物缺乏花篮的内部结构。因此，两者之间弯曲应变的差异可归因于该结构的不同。
实验结果表明，花篮针状体可以比单纯的针状体多弯曲140%。
Monn说：”由于它们基本上是由玻璃制成的，所以他们的弯曲程度是相当惊人的。工程师们经常使用一种叫做euler - bernoulli光束理论的模型，来计算一个光束在负载下弯曲的程度，但只有当弯曲程度非常小的时候才适用。
Monn说：“这就是说，我们用来分析工程材料时运用的机械测试的经典理论，在处理生物材料时可能并不准确。因此，我们也需要改变我们的分析方法，而不仅仅是重复我们一直在研究工程材料的方法。”
Monn希望像这样的研究，能够提供所需的数据来设计出合适的模型，以解释这些自然结构的特性，并最终将这些结构用于制造新的人造材料。
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