生活在深海中的所有海绵都有一个秘密:它们轻盈的格子状外形具有惊人的硬度和强度。 受这些神奇生物的启发,澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT University)的研究人员开发出了一种新结构,用于制造更坚固耐用的建筑材料。
这种双晶格结构(左)的灵感来自海绵,与合成材料中的传统晶格结构(右)相比,它更坚固、更耐破损
研究小组研究了双晶格结构--在一种名为维纳斯花篮的海绵骨架中可以看到--是如何不仅表现出惊人的强度,而且还表现出抗压缩行为--即压缩时收缩的能力。
马嘉明博士解释说:"大多数材料在拉伸时会变薄,在挤压时会变厚,就像橡胶一样,而辅助材料却恰恰相反,辅助材料可以有效吸收和分散冲击能量,因此非常有用。"他撰写的关于这种生物启发晶格结构(BLS)的论文发表在1月份的《复合结构》(Composite Structures)上。
玻璃海绵,也被称为维纳斯的花篮,其骨架具有令人惊讶的坚固晶格结构
皇家墨尔本理工大学的研究小组发现,当把晶格组合成类似深海海绵的结构时,所选择的材料就能在变形之前吸收更多的能量,承受更大的应力。
在使用相同数量材料的情况下,BLS 的刚度是现有辅助材料(如心脏支架中使用的材料)的 13 倍,吸收的能量比现有设计多 10%,应变范围比现有设计大 60%--这意味着它在开始断裂之前可以变形得更多。
Euplectella aspergillum 的整个骨架管(左),放大后的视图突出显示了其规则的格子状结构,以及开放细胞和封闭细胞交替排列的模式
研究人员通过 3D 打印热塑性聚氨酯(TPU 95A)制成的样品,对这种 BLS 设计进行了测试。 下一步,研究人员将制作这种设计的钢制版本,与混凝土一起使用,看看它作为建筑材料的性能如何。
研究人员 Mike Xie(左)和 Dr. Jiaming Ma(右)手持团队双晶格设计的 3D 打印模型
"我们正在开发一种更具可持续性的建筑材料,利用我们的设计将出色的辅助性、刚度和能量吸收性独特地结合在一起,以减少建筑中的钢材和水泥用量,"Ma 解释道。"它的辅助和吸能特性还有助于在地震中减震。"
BLS 的设计还可用于需要轻而坚固的运动防护装备和医疗产品。