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包括材料科學在內的各個學科的科學家們長期以來一直受到自然奇觀的啟發。為了創造具有增強機械性能的新型材料，科學家們目前正在嘗試設計仿生材料——模仿生物結構的人造材料。其目標是復制經過數百萬年進化而完善的復雜結構，以克服金屬和陶瓷等傳統材料的有限強度、延展性和抗斷裂性。
創造仿生材料
張明陽(Mingyang Zhang)老師領導的一項研究曾發表在Nature Communications上，作者從三種海洋生物中獲得了靈感: 海蝸牛、螳螂蝦和蛤蜊。研究人員從海螺殼的珍珠層復制了一種類似磚和砂漿的結構，從蝦的外骨骼復制了一種類似布利岡結構的扭曲的木材結構，從蛤蜊殼復制了一種交叉的板層結構。這三種結構在自然狀態下都表現出了性能。
代表性生物原型(海螺、螳螂蝦、蛤蜊)的磚和砂漿、布利岡和交叉板層結構同時展示。此外，還展示了仿生支架和浸潤復合材料。參考圖1: 3D打印Ti-6Al-4V支架的仿生結構及其滲透的Mg-Ti復合材料。| Nature Communications
為了創建該結構，團隊選擇使用3D打印鈦結合鎂的第二相。他們選擇這兩種金屬是因為它們的剛度差異很大，這反映了生物材料中不同的剛度。通過使用3D打印，他們能夠從下往上構建結構——模仿自然形成的過程。這一過程也使他們能夠制造出一種多孔支架，這種支架可以在不需要壓力的情況下被鎂滲透。
材料被制造出來之后，研究小組使用X射線和電子顯微鏡來評估是否有孔隙。然后，他們對材料施加拉力，造成斷裂，并再次對材料成像。Thermo Scientific™ Avizo™ 軟件處理并激活了成像數據，該軟件提供了先進的圖像分割、3D可視化和定量分析，使研究團隊能夠清楚地看到并量化骨折結構。
使用Avizo軟件進行斷裂表征
使用Avizo軟件中的圖像分割工具，團隊能夠自動識別和突出材料中的斷裂。圖像顯示，斷裂并不是在材料中直線移動，而是有偏轉和扭曲。
圖中顯示了SEM圖像和CT容積再現的磚和砂漿(a)、布利岡 (b)和交叉板層(c)結構。白色箭頭表示裂縫。
將他們的材料與其他材料進行比較后，研究小組發現，仿生材料在強度和延展性方面表現出了*性。特別是，受蛤蜊殼啟發的交叉層狀結構成為了堅固的結構。
最終，該研究表明，仿生材料具有更強的強度和耐用性，在結構和生物醫學應用方面可能是傳統材料的具有前景的替代品。這也清楚地展示了先進的成像設備和軟件如何與高科技制造和測試相結合，從而實現了原本不可能實現的科學飛躍。
想了解更多關于Avizo軟件如何支持和增強復合表征，請參考我們的網絡研討會。
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Nature Communications：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9#Abs1
Luigi Raspolini是賽默飛世爾科技公司的產品專家
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