弗吉尼亞理工大學機械工程助理教授 Ling Li 通過研究雙殼類軟體動物的殼，發現了建造更堅固、更堅固的陶瓷的見解。

這種觀點是通過觀察殼中基本礦物構建塊預測裂縫的能力而形成的，而不是僅關注結構的形狀和化學成分。他的小組的研究結果發表在 2020 年 11 月 10 日的《自然通訊》雜志上中國建材網cnprofit.com。

李的團隊對筆殼軟體動物（原產于加勒比地區的雙殼類動物）的外殼微觀結構進行了深入分析。這些動物的殼由兩層組成，內層珍珠層和棕色外層。內部珍珠層，也稱為珍珠母，由于其規則的納米級分層結構，通常呈彩虹色，類似于許多瓶蠅翅膀的著色機制。

李的團隊將注意力集中在外層，它由以馬賽克圖案排列的棱柱形方解石晶體組成。在相鄰的礦物晶體之間，存在著將晶體粘合在一起的非常?。s 0.5 微米，不到人類頭發大小的百分之一）的有機界面。方解石晶體長約半毫米，直徑約 50 微米，類似于細長的棱柱。

與許多地質或合成晶體不同，它們晶粒內的原子以周期性方式完美排列，筆殼中的方解石晶體包含許多納米級缺陷，主要由有機物質組成。

“你可以將生物陶瓷，在這種情況下，筆殼的方解石晶體視為一種復合結構，其中許多納米級的內含物分布在其晶體結構中，”李說?！斑@尤其值得注意，因為方解石晶體本身仍然是單晶?！?/p>

通常，結構缺陷的存在意味著潛在故障的位置。這就是為什么通常的方法是盡量減少工程結構中的結構不連續性或應力集中。然而，李的團隊表明，生物礦物中這些納米級缺陷的大小、間距、幾何形狀、取向和分布是高度可控的，不僅可以提高結構強度，還可以通過控制開裂和斷裂來提高損傷容限。

當這些殼受到外力時，晶體會通過阻止位錯運動來最小化塑性屈服，位錯運動是純方解石中塑性變形的常見模式，由這些內部納米缺陷輔助。這種強化機制已應用于許多結構金屬合金，例如鋁合金。

除了增加強度之外，這種設計還允許結構利用其裂縫模式來最大限度地減少對內殼的損壞。棱柱層中方解石晶體的馬賽克狀互鎖圖案進一步包含當外力分散在單個晶體上時的大規模損傷。該結構能夠開裂以消散外部加載能量而不會失效。

“顯然，這些納米級缺陷不是隨機結構，而是在控制這種天然陶瓷的機械性能方面發揮著重要作用，”李說?！巴ㄟ^這項研究中發現的機制，生物體確實將原本脆弱易碎的方解石轉變為堅固耐用的生物裝甲。我們現在正在試驗可能的制造工藝，例如 3D 打印，以實施這些策略，以開發具有增強的陶瓷復合材料。結構應用的機械性能。