5天连发Nature和Nature Materials，仿生材料大有可为！

小狮子

2020-09-28

9月16日， 日内瓦大学Vladimir L. Katanaev团队发展了一种低成本的视黄素生产方法，并将其与蜡混合，成功地在人造表面上实现了类似昆虫的图灵纳米涂层。通过改变视黄素和蜡的成分，比例以及覆盖表面，再进行多层化结合，可生成具有多种特性的通用型，稳定、环保的表面纳米图案，可以经受长时间的高强度的洗涤而不会被破坏。作为对比实验，单独的视黄素，单独的蜡或对照蛋白质混合物所构建的纳米涂层效率低下。成果发表在Nature期刊上。

一周后，9月21日，仿生材料再次登上材料领域的顶刊Nature Materials。

第一作者：Matheus C. Fernandes

通讯作者：James C. Weaver, Katia Bertoldi

通讯单位：哈佛大学

研究要点：

     1.证明了海绵的对角线增强策略在给定数量的材料下可获得最高的抗屈曲性。

      2.使用进化优化算法，证明了源自海绵的晶格几何形状接近了所考虑的设计空间的最佳材料分布。

      3.结果表明，从海绵骨架系统研究中获得的经验教训可用于实现几何优化的方格几何体，以避免整体结构屈曲，这对改进现代基础设施应用中的材料使用具有影响。

一、研究背景：意义、现状

十六烷基海绵的矿化骨骼系统通常被称为金星的花篮，因其在多个长度尺度上的非凡的层次结构和机械坚固性而受到工程和材料科学界的极大关注。其组成的玻璃状骨骼元素（刺）由中央蛋白质核心组成，周围由固结的二氧化硅纳米颗粒和稀薄的有机中间层交替同心层包围。这些针状针进一步组织形成高度规则的方格，并通过两组相交的成对斜撑杆相交而得到加强，从而形成了类似于棋盘格状图案的交替开闭细胞。尽管先前已经证明了针状体的叠层结构在阻止裂纹扩展和增加屈曲强度方面的作用，但这些针状体的组装所产生的双对角方格子的潜在机械效益仍未得到充分挖掘。网格状的开孔网格，例如在米曲霉的骨骼系统中发现的网格状网格，由于其重量减轻，能量吸收高以及能够控制声波和热波传播的能力而被广泛用于工程领域。通常，此类几何的属性和功能由其节点连接性决定。

拟解决的关键问题

具有简单正方形几何形状（节点连通性为4）的晶格在载荷矢量具有横向分量（它们是弯曲支配且唯一的抗剪力来自接缝）时是不稳定的，并且通常需要对角支撑来稳定结构。

核心内容

有鉴于此，哈佛大学的James C. Weaver和Katia Bertoldi教授课题组共同报道了结合使用有限元模拟和对不同晶格几何形状的3D打印样本进行的机械测试。

图1. 十六碳海绵海绵状芽孢杆菌的代表性骨骼系统

要点1. 四种实验设计和数值结果

首先，发现所有带有对角线加固的设计（即设计A–C）的初始弹性响应几乎相同，这表明不同的对角线加固设计不会影响结构的初始整体刚度。如预期的那样，设计D由于其垂直和水平元素较厚而具有较高的初始刚度。其次，所有曲线均显示出明显的最大承重能力，其中设计A（采用海绵启发的设计）可承受最高载荷。由于每个最大载荷都对应于屈曲的开始，因此我们推断设计A在考虑的设计中显示出最高的临界屈曲应力。此外，在所有三个具有对角线的设计中，屈曲后的行为会导致整个样品发生均匀的图案转变。相比之下，对于设计D，临界模式产生的波长要比方形晶胞的尺寸大得多，从而导致后屈曲形状在质量上与压缩屈曲光束相似。实验结果表明直到屈曲开始为止，数值结果和实验结果之间都存在着密切的一致性，这证实了在捕获线性状态和临界载荷时仿真的准确性。

图2. 实验和数值结果

要点2. 结构对变化的加载角的响应

为了降低计算成本并消除边缘效应，本文利用结构的周期性并研究了具有适当周期性边界条件的代表性体元（RVE）的响应。实验结果表明，在任何加载角度下，所有包含对角钢筋的结构的刚度实际上都是相同的，这进一步证实了结构刚度主要由沿加载方向分配的材料量决定。

图3. 数值结果描述了结构对变化的加载角的响应

要点3. 实验优化和结果验证

优化后的实验结果表明海绵启发的设计非常接近呈现最高临界应力的设计。本文证明了在曲霉中发现的骨骼组织模式可以适应在单轴压缩下实现具有高抗屈曲性的晶格结构。

图4. 优化结果和实验验证

要点4. 可扩展至设计各种长度的结构

实验和有限元模拟均表明，采用海绵设计的设计更坚固，可以在更大范围的施加位移范围内承受15％的较高载荷，这说明了将这种设计并入悬浮结构的潜在好处。本文进一步使用有限元模拟来评估A–D设计在其他五种加载方式下的性能。对于所有考虑的荷载情况，发现A设计能够承受比其他任何结构都要高得多的载荷-使其成为实现各种承重结构的最佳人选应用程序。尽管在此研究专注于厘米级的晶格，只要它们位于连续范围内，该方法就可以扩展到设计各种长度范围的结构。

图5. 细长结构进行三点弯曲试验的数值和实验结果

小结

通过分析大肠埃希菌的骨架组织，本文发现其非平凡，双对角线，棋盘状的方格设计比现有结构提供了增强的机械性能。发现海绵启发的格子该设计提供了一种出色的机制，可在各种载荷条件下屈曲开始之前承受载荷。通过使用优化工具来调查广泛的多维设计空间，海绵骨架的结构几乎与在单轴压缩下提供最高临界应力的晶格设计相同。通过在方形格子内智能地分配材料，可以生产具有最佳抗屈曲性的结构，而无需向系统中添加更多材料。本文的海绵状网格的机械性能对于提高各种桁架系统的性能具有重要意义，其应用范围从桥梁和建筑物等大型基础设施到小型医疗植入物。

参考文献：

Matheus C. Fernandes et al. Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges. Nature Materials, 2020.

DOI: 10.1038/s41563-020-0798-1

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1