Science: 首次发现！华人学者在海星中发现一种新型耐损伤结构！

01 全文速览

弗吉尼亚理工大学机械工程学院的助理教授李灵博士等人发表题为“Adamage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobbystarfish, Protoreaster nodosus”的文章。在本文中，李灵研究团队通过对广泛分布于印度-太平洋地区的多节海星骨骼样本进行研究，首次发现海星的骨骼均由一个单独的微晶格结构构成。结果表明，该结构由双尺度微晶格组成，具有原子级方解石和微米级金刚石三重周期极小曲面，以及晶格级结构梯度和原子级位错缺陷。正是这种特殊的结构，增强了小骨在受压下的损伤耐受性，赋予了海星卓越的比能量吸收能力。

02 前言导读

在开发结构材料时，减轻其重量通常是开发时的首要目标，这样同时也会减少制作材料的使用、能源消耗和对环境的影响。其中一种有效的方法便是在材料中引入孔隙以此来产生多孔固体。泡沫或蜂窝状结构多孔固体材料具有质轻和高强度等优点，因其高机械效率和结构可定制特性而广泛存在于自然和工程系统中。

但是，目前的多晶或无定形材料经常表现出十分严重的问题，特别是那些具有陶瓷和玻璃成分的材料。为了解决其中的一些性能问题，最近的研究表明，陶瓷纳米晶格可以表现出高能量吸收能力。然而，这些材料的强度通常受到其特征尺寸的限制。 细胞固体因其高机械效率和可定制的特性而广泛存在于自然和工程系统中，它们通常为多晶或无定形成分。在海洋中，许多动物的身体正是由这类脆弱易碎的碳酸钙或由其形成的光子晶体结构组成。然而，这些天然生物陶瓷结构往往表现出令人惊讶的高强度或机械韧性。 2022年2月11日，李灵教授团队多节海星（Protoreaster nodosus）的生物矿化骨架中首次发现了一种天然陶瓷的双尺度微晶格结构，这种结构微晶格结构是原子尺度上的天然单晶结构，目前从未有研究报道过在自然界中存在有这种微晶格结构，同时该结构目前也从未被合成过。李灵教授在文章中表明，这种结构具有原子级方解石和微米级金刚石三重周期性最小表面（Diamond-TPMS）几何形状（晶格常数约为30 μm），同时还具有晶格级结构梯度和原子级位错缺陷。 正是这种特殊的双尺度微晶格结构，赋予了多节海星小骨的高刚度、强度、损伤容限和卓越的比能量吸收能力。该研究为设计合成架构多孔固体提供了重要的理论依据，并为全新高性能轻质陶瓷复合材料的开发提供了新的思路。 该研究成果以“Adamage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobbystarfish, Protoreaster nodosus”为题，发表在世界顶级综合性学术期刊Science上，并被选为封面文章。

03 研究结果

3.1 双尺度Diamond-TPMS微晶格结构

多节海星的特征是背表面呈放射状排列的“突起”（图1A-C）。这些突起也称为小骨（Ossicles），它们具有周期性的多孔微晶格结构（图1D-F）。这些小骨与软组织相连，从而使多节海星能够在海中移动。

李灵团队通过对单个小骨进行断层扫描和3D渲染分析发现，该骨架在微观尺度上为非常规则的四面体单元，并且呈现周期性排列，同时其微晶格的表面形态与标准金刚石三周期最小表面 (TPMS) 结构具有十分显著的相似度(图1J) 。这表明，每个小骨均由一个微晶格结构构成且这种结构非常均匀，可以用数学公式进行呈现。

图1.多节海星中的Diamond-TPMS微晶格结构

此外，研究人员还发现，多节海星小骨内存在位错状晶格缺陷，包括60°位错和螺旋位错（图2）。在整个小骨中，微晶格位错密度约在100到1200cm-2 的范围内，即 0.001 到 0.011 的归一化密度，该密度远远高于目前天然和合成单晶金刚石中的位错密度。

图2.小骨的Diamond-TPMS结构中的晶格位错。

此外，晶体学数据表明，小骨的微晶格本质上是在原子尺度上的单晶方解石结构（图3）。其中，方解石的c轴的取向是沿着Diamond-TPMS微晶格的[111]方向的。

图3.双尺度Diamond-TPMS晶格的单晶结构。

此外，团队成员还发现，小骨的Diamond-TPMS微晶格结构表现出结构梯度的长程变化，这种结构梯度会产生机械性能梯度，从而使得多节海星能够在特定方向有目的地增强其骨骼，以此获得更好的保护。

3.2 Diamond-TPMS微晶格结构的力学性能和能量耗散机制

图4. 多节海星小骨的Diamond-TPMS微晶格结构的力学特性。

团队成员经过深入研究发现，多节海星的小骨中的Diamond-TPMS结构具有较高的能量和比能量吸收，分别为14.25±2.50 MJ/m3 和9.76±1.59 kJ/kg，这种吸收能力甚至优于目前所使用许多合成陶瓷和金属泡沫材料。同时，小骨所展现出的独特的理“贝壳状”断裂形式使得方解石晶格在损伤带内的致密化过程中连续碎裂成微米和纳米级碎片（图4M），并在持续的加压中使得颗粒压实、旋转和摩擦，进一步增强了对能量吸收，从而在微晶格断裂时可以抑制断裂纹延伸。

04 总结

 多节海星的生物矿化骨骼具有一种天然陶瓷的双尺度微晶格结构。这种结构在原子水平的方解石结构和微米水平的金刚石三重周期性最小表面几何形状，以及晶格级结构梯度和原子级位错缺陷。这种独特的双尺度微晶格结构使多节海星骨骼具有高刚度、强度和损伤容限等特点。李灵团队的该项突破性研究成果为今后开发高性能高强度轻质陶瓷复合材料开辟了新的途径。