研究发现，并非大自然的所有分层结构都像动物的贝壳和鹿角一样坚韧

 
将海绵种大孢虫(Euplectella aspergillum)保持在海底的锚固针具有复杂的分层内部结构。已知类似的分层结构可增加诸如骨和珍珠质的材料的韧性。但是这项新的研究发现，针刺中的分层对增强韧性几乎没有作用。研究人员说，这项研究可能有助于避免“幼稚的仿生”。图片来源：Kesari Lab /布朗大学珍珠母(软体动物贝壳的虹彩部分)是受生物启发的设计的典范。尽管珍珠母是由易碎的白垩制成，但其复杂的层状微结构使其具有出色的抵抗裂纹扩展的能力，这种材料属性称为韧性。
长期以来，寻求设计更坚硬材料的工程师一直在试图模仿这种自然分层，这种分层也存在于海螺壳，鹿角和其他地方。但是，布朗大学研究人员的一项新研究提醒我们：并非所有分层结构都如此坚韧。
这项发表在《自然通讯》上的研究测试了另一层以其物理特性而闻名的微观结构-一种称为“ Euplectella aspergillum”的海海绵的锚固针。针尖是细小的多层玻璃细丝，将海绵固定在海底。研究人员说，通常将针刺的层状结构与珍珠层进行比较，并假定该针刺结构同样可以增强韧性。这项新研究发现并非如此。
“尽管珍珠质和Euplectella针的结构相似，但我们发现该针的结构在增强韧性方面相对很少，这与长期以来的假设相反，”刚毕业的博士Max Monn说。布朗的学生和研究合著者。
在这项研究中，研究人员比较了Euplectella刺针的韧性与另一种海绵物种Tethya aurantia的韧性。特提亚针具的化学组成与大戟属针具相似，但缺乏分层结构。为了测试韧性，团队将细小的缺口插入了针尖中，然后将其弯曲。通过测量裂纹在弯曲应变下从槽口扩展时所消耗的能量，研究人员可以量化两种类型的针头的韧性。
研究人员发现，当分层结构弯曲时，裂缝会在层与层之间传播。这否定了通常与在坚硬的生物材料中分层相关的韧性增强。图片来源：Kesari Lab /布朗大学实验表明，两种针头之间的韧性差异很小，这表明Euplectella的分层并不能提供太多的韧性增强。使用计算机建模，研究人员能够更深入地研究分层为什么会增强某些材料(而不是其他材料)的韧性。该模型表明，圆柱状针头中的分层曲率似乎关闭了分层结构的韧性增强。研究人员说，像珍珠层中的平坦层一样，似乎可以防止裂缝从一层扩散到另一层。但是，在具有弯曲层的材料(如小球藻针状体)中，裂纹能够从一层跳到另一层，而不是在层之间停止。
布朗工程学院的助理教授，论文的资深作者Haneesh Kesari说，这些发现揭示了层状材料中曲率和韧性之间以前未知的关系，并且对生物启发的复合材料的设计产生了影响。
Kesari说：“具体地说，它表明，如果采用分层体系结构以增强材料的韧性，则应注意那些需要使层弯曲的区域。” “我们对针刺的测量和我们的计算模型结果表明，弯曲层不能提供与平坦层相同的韧性增强幅度。”
这些发现并不意味着大戟茎状针的分层结构并不令人感兴趣。 Kesari实验室的先前工作表明，分层结构似乎极大地提高了针的弯曲强度-可以承受较大的弯曲曲率，而不会破裂。但是，弯曲强度和韧性是非常不同的机械性能，研究人员说，有助于消除层层总是增强韧性的观点，这通常对于受生物启发的设计是有用的见解。
“我们的研究表明，并非所有分层结构都能显着提高韧性，”布朗研究生和研究合著者Sayaka Kochiyama说。为了避免幼稚的仿生，对结构-性质关系的更好理解是必要的。