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包括材料科学在内的各个学科的科学家们长期以来一直受到自然奇观的启发。为了创造具有增强机械性能的新型材料，科学家们目前正在尝试设计仿生材料——模仿生物结构的人造材料。其目标是复制经过数百万年进化而完善的复杂结构，以克服金属和陶瓷等传统材料的有限强度、延展性和抗断裂性。
创造仿生材料
张明阳(Mingyang Zhang)老师领导的一项研究曾发表在Nature Communications上，作者从三种海洋生物中获得了灵感: 海蜗牛、螳螂虾和蛤蜊。研究人员从海螺壳的珍珠层复制了一种类似砖和砂浆的结构，从虾的外骨骼复制了一种类似布利冈结构的扭曲的木材结构，从蛤蜊壳复制了一种交叉的板层结构。这三种结构在自然状态下都表现出了性能。
代表性生物原型(海螺、螳螂虾、蛤蜊)的砖和砂浆、布利冈和交叉板层结构同时展示。此外，还展示了仿生支架和浸润复合材料。参考图1: 3D打印Ti-6Al-4V支架的仿生结构及其渗透的Mg-Ti复合材料。| Nature Communications
为了创建该结构，团队选择使用3D打印钛结合镁的第二相。他们选择这两种金属是因为它们的刚度差异很大，这反映了生物材料中不同的刚度。通过使用3D打印，他们能够从下往上构建结构——模仿自然形成的过程。这一过程也使他们能够制造出一种多孔支架，这种支架可以在不需要压力的情况下被镁渗透。
材料被制造出来之后，研究小组使用X射线和电子显微镜来评估是否有孔隙。然后，他们对材料施加拉力，造成断裂，并再次对材料成像。Thermo Scientific™ Avizo™ 软件处理并激活了成像数据，该软件提供了先进的图像分割、3D可视化和定量分析，使研究团队能够清楚地看到并量化骨折结构。
使用Avizo软件进行断裂表征
使用Avizo软件中的图像分割工具，团队能够自动识别和突出材料中的断裂。图像显示，断裂并不是在材料中直线移动，而是有偏转和扭曲。
图中显示了SEM图像和CT容积再现的砖和砂浆(a)、布利冈 (b)和交叉板层(c)结构。白色箭头表示裂缝。
将他们的材料与其他材料进行比较后，研究小组发现，仿生材料在强度和延展性方面表现出了优越性。特别是，受蛤蜊壳启发的交叉层状结构成为了坚固的结构。
最终，该研究表明，仿生材料具有更强的强度和耐用性，在结构和生物医学应用方面可能是传统材料的具有前景的替代品。这也清楚地展示了先进的成像设备和软件如何与高科技制造和测试相结合，从而实现了原本不可能实现的科学飞跃。
想了解更多关于Avizo软件如何支持和增强复合表征，请参考我们的网络研讨会。
请扫码观看您感兴趣的网络研讨会
Nature Communications：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9#Abs1
Luigi Raspolini是赛默飞世尔科技公司的产品专家
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