类似钻石的海星骨架与自然界中发现的任何人都不同

旋钮海星的骨架具有与迄今为止自然界中任何其他发现不同的结构,该结构是使用与粉笔相同的材料创建的,但以钻石状的图案排列。通过模仿其分子

旋钮海星的骨架具有与迄今为止自然界中任何其他发现不同的结构,该结构是使用与粉笔相同的材料创建的,但以钻石状的图案排列。

通过模仿其分子布置,研究人员有一天可以设计新的轻型陶瓷 – 比现有材料更强大,更耐用。

挑战:减轻体重是现代工程师的主要目标。当他们设计建筑物,车辆和重型机器的结构组件时,他们一直在努力减少能源消耗,所使用的材料量及其环境影响。

人造陶瓷非常脆弱,使其不适合机器或建筑物。

多孔材料包含大空间的大部分(例如,摩天大楼在钢梁之间大多是空的空间,但在微观尺度上)都是解决所有三个问题的潜在解决方案。

特别是,陶瓷材料的重量轻,以及对热和腐蚀的耐药性。然而,尽管有这些独特的优势,但人造陶瓷在分子水平上仍然非常脆弱,使其不适合机器或容易发生机械磨损的建筑物。

灵感:在自然界中,许多生物在支撑自己身体的体重时面临类似的结构问题。无数世代的进化,许多动物已经制定了巧妙的策略来克服这些挑战。

我们不需要寻找示例。人骨头的多孔内部设计使我们的骨骼足够强大,可以支撑我们的体重,但也足够轻巧,使我们可以快速,轻松地移动。

在自然界中,有些结构更加复杂。

他们发现的结构与其他任何生物学家以前都不同。

在材料科学发表的一项研究中,由弗吉尼亚理工大学的Ling Li领导的研究人员检查了Protoleaster Nodosus的Knobby海星的骨骼。

这些动物的骨骼在印度和太平洋的温暖,浅水中发现,并以一排崎的刺命名,由多孔,毫米大小的元素制成,称为“ ossicles”。这些功能直接连接到软组织,使旋钮海星也极为柔韧。

有趣的是,这些小骨与现代建筑结构中使用的太空框架结构非常相似。更重要的是,它们是由方解石制成的:碳酸钙的晶体形式,也称为粉笔。

然而,虽然粉笔非常脆,而且很容易破裂,但旋钮海星的耳塞具有很高的弹性,可抵抗损坏。

几乎相同的结构以生物学闻所未闻的规律性重复了自己。

如何击败Brittlense:Li的团队使用显微镜技术的组合以及微CT扫描研究了Ossicles的结构。

他们发现的结构与其他任何生物学家以前都不同。

尽管人体骨骼的结构看起来是海绵状和不规则的,但旋钮海星的耳囊却高度有序,甚至达到原子尺度。

值得注意的是,骨骼似乎是由与钻石原子结构相关的晶格形成的,因此可以用数学上描述。

在晶格中,几乎相同的结构大约每30纳米重复一次:一种规律性在生物学中几乎是闻所未闻的。

骨骼甚至显示出与钻石中发现的结构不规则性。通过进一步的分析,Li及其同事表明,骨骼甚至显示出与钻石中发现的骨骼的结构不规则性。

为了探索这些属性,团队从单个Osicles中切出了立方体样品,然后对其进行了严格的压缩测试。

尽管更易碎的方解石形式会在相同量的压力下完全崩溃,但他们发现小骨沿平面沿平面裂开,其方向是由其钻石晶格结构确定的。

当这些裂缝在晶格中遇到自然不规则时,它们停止了,而是跳到另一个平行平面上 – 就像压缩金属的破裂行为一样。

结果?这种优雅的故障机制使小骨在压力下吸收能量方面更加有效。

Knobby海星可以激发新设计的重量,高弹性的陶瓷。

展望未来:目前,合成陶瓷是使用昂贵的能源密集型工艺广泛制造的,但仍然只能生产出极其脆弱的材料。

相比之下,旋钮海星以某种方式发展了具有高刚度,强度和损伤耐受性的陶瓷样晶体的能力 – 均在环境温度和浅海的压力内。

从这些动物那里仍然有很多东西要学习,在我们完全了解它们独特的骨骼结构如何形成之前,还有很多问题要回答。

然而,通过进一步的研究,结合Nanoscale 3D打印等技术的未来进步,Knobby海星可以激发新设计的重量,高弹性的陶瓷,并在工程和构建中广泛应用。这篇文章最初在我们的姊妹网站上发表,在我们的姊妹网站上发表,自由思想。

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