新研究打破常识，分层结构并不总能增强韧性

软体动物外壳的闪光珍珠层一直是仿生学界的宠儿。尽管它主要由易碎的碳酸钙组成，但珍珠层特有的复杂分层微结构赋予了其非凡的韧性。一直以来，工程师们都在试图模拟这种天然结构，从而制造出韧性非凡的人工材料。但美国布朗大学研究者近日在《自然通讯》杂志发文提出了异议：并不是所有的分层结构都具备如此韧性。

此次，科学家们研究了另一种因其物理学特性而闻名的分层微结构——海绵动物阿氏偕老同穴（Euplectella aspergillum）的锚状骨针。研究者表示，骨针的分层结构经常被拿来与珍珠层相比较，人们认为前者的结构同样可以增强韧性。然而，这项新研究得到的结果却恰恰相反。

研究中，他们选取了阿氏偕老同穴的骨针和另一种海绵Tethya aurantia的骨针（化学组成和前者相似但没有层状结构）进行对比。通过在两种骨针上开小口，然后弯曲它们，并测量裂纹在弯曲应变作用下从缺口扩展时所消耗的能量，研究人员量化了两种骨针的韧性。实验结果表明，两种骨针的韧性并无显著差异，这表明阿氏偕老同穴的骨针虽具有分层结构，但它并未因此获得更高的韧性。

为何会得到这样的结果呢？研究者带着这一疑问对骨针的结构进行了计算机建模分析。模型显示，圆柱形骨针的分层曲率抑制了分层结构在增强韧性方面的作用。研究人员说，与珍珠层类似的扁平层似乎可以防止裂痕从一层向另一层扩散，但在具有弯曲层的阿氏偕老同穴的骨针等材料中，裂纹能够从一层跳跃到另一层，而不是在层之间停止。

布朗大学工程学院的助理教授、论文主要作者Haneesh Kesari认为，这些发现揭示了分层材料的弯曲度和韧性之间的未知关系，对于仿生复合材料的设计具有启示意义。“具体来说，如果你打算用分层结构来增强材料的韧性，就应该小心那些需要弯曲的区域。”Kesari说，“我们的研究结果表明，弯曲分层的韧性增强程度不如平面分层。”

这些发现并不意味着阿氏偕老同穴的骨针的分层结构没有意义。Kesari实验室之前的研究表明，这种分层结构似乎极大地提高了骨针的弯曲强度——在弯曲失效之前能够承受较大的弯曲曲率。但是弯曲强度和韧性是非常不同的机械性能。“我们的研究表明，并不是所有的分层结构都能显著提高韧性。”布朗大学研究生、论文合著者Sayaka Kochiyama说，“更好地理解结构-性能关系对于避免不成熟的仿生模拟是非常必要的。”

原创编译：Max 审稿：alone 责编：雷鑫宇

期刊来源：《自然通讯》

期刊编号：2041-1723

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200117110836.htm

中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源。