受螳螂蝦武器的啟發(fā)，科學(xué)家開發(fā)更堅(jiān)固的3D打印結(jié)構(gòu)

在尋找加強(qiáng)材料的方法時(shí)，大自然通常會(huì)提供最佳答案。 2018年6月29日，南極熊從外媒獲悉，普渡大學(xué)的研究人員從螳螂蝦獲得靈感，他們使用3D打印技術(shù)開發(fā)受彩虹螳螂蝦啟發(fā)的新型超強(qiáng)材料。 在最近的研究中，研究人員與加利福尼亞大學(xué)河濱分校合作，進(jìn)一步開發(fā)一類新型超韌材料。

究竟是什么讓螳螂蝦脫穎而出？它實(shí)際上可以擊敗甚至粉碎其裝甲獵物（主要是軟體動(dòng)物和其他螃蟹），它們的耐損傷性和優(yōu)異的機(jī)械性能也是眾所周知的。 令人驚嘆的海洋生物在拳頭后面擁有令人難以置信的力量，并且可以像22口徑子彈一樣快速地沖鋒。

新的研究結(jié)果表明，纖維是許多海洋甲殼動(dòng)物殼和昆蟲外骨骼中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，排列成類螺旋狀樓梯的螺旋結(jié)構(gòu)。

“這種機(jī)制以前從未被詳細(xì)研究過”Zavattieri 說?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，隨著裂紋的發(fā)展，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力逐漸減小，促進(jìn)了其他類似機(jī)制的形成，從而防止材料突然崩潰。我認(rèn)為我們終于可以解釋為什么材料如此強(qiáng)硬。

“在實(shí)驗(yàn)方面，我們使用現(xiàn)有的材料來創(chuàng)建驗(yàn)證這一理論的復(fù)合材料?！?br />
普渡大學(xué)博士生Nobphadon Suksangpanya;加州大學(xué)河濱分校的博士生Nicholas A. Yaraghi;加州大學(xué)河濱分?；瘜W(xué)與環(huán)境工程與材料科學(xué)與工程教授David Kisailus; Zavattieri在“生物醫(yī)學(xué)材料力學(xué)行為雜志”和“國(guó)際固體與結(jié)構(gòu)雜志”雜志上發(fā)表了兩篇關(guān)于他們精彩作品的論文。

先前的研究發(fā)現(xiàn)，該然的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了承受重復(fù)的高速?zèng)_擊。當(dāng)裂紋形成時(shí)，他們遵循扭曲模式，而不是直接在結(jié)構(gòu)上傳播，導(dǎo)致失敗。加州大學(xué)河濱分校的電子顯微鏡拍攝的新圖像顯示，不是單個(gè)裂紋繼續(xù)傳播，而是形成許多較小的裂縫 - 消散撞擊時(shí)材料吸收的能量。

研究人員創(chuàng)建并測(cè)試了以這種3D打印復(fù)合材料，利用相機(jī)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)捕獲裂紋行為，以研究材料的變形。

Zavattieri說：“我們正在建立復(fù)合材料以前沒有的新機(jī)制。 傳統(tǒng)上，當(dāng)我們生產(chǎn)復(fù)合材料時(shí)，我們將纖維放在一起，但并不是最佳的，而大自然正在教會(huì)我們應(yīng)該如何去做。“

這些發(fā)現(xiàn)可以幫助開發(fā)更輕，更堅(jiān)固和更堅(jiān)韌的材料，用于包括航空航天，汽車和體育在內(nèi)的許多應(yīng)用。


編譯自：3ders