投稿|Science封面：华人团队揭秘“派大星”完美骨骼，高强度新型材料正在路上投稿|学术

文 | 学术头条，作者 | 朱哼哼，编辑 | 王哈哈

对于工业领域，尤其是汽车和航空航天制造业而言，寻找轻质且坚固的材料非常有必要。这些新型材料可以在保证强度的同时提高能源效率。然而，在长期工业实践中，轻质且高强度材料的研发异常缓慢。毕竟强度更高的材料往往密度更大，重量也更大。
近日，来自弗吉尼亚理工大学机械工程学院的助理教授 Ling Li 博士带领研究团队，为新型轻质高强度陶瓷复合材料的开发指明了方向。
Ling Li 博士的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，这种微晶结构非常均匀，可以用数学公式来描述，并通过节点连接分支组成，类似于埃菲尔铁塔的结构。更有趣的是，他们还发现，微晶格结构的均匀性本质是原子水平的单晶结构。
对此， Li 博士表示， “这种独特的材料就像是由一块方解石单晶雕刻而成的晶格，这种近乎完美的微晶格结构此前在自然界中从未被报道过，也未被合成过。大多数高度规则的晶格材料都是通过将材料和小晶体结合形成复合材料制成的，而这种全新的微晶格结构是作为一个整体生长而来的。”

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图 | Science 封面（来源：Science）
该研究以“A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus”为题，发表在最新一期的 Science 杂志封面上。
如何实现工业材料质量与强度的平衡我们都知道，密度高的材料其强度往往更大，相应的重量也就越大。举个简单的例子，相比于一个空心铁球，实心铁球的强度显然会更高。因此，长期以来，工业界在设计新型轻质高强度材料时往往难以取得质量和强度的平衡。
相比之下，大自然经过数百万年的进化，想到了一个巧妙的办法来解决这一问题，那就是多孔材料，通过内部孔隙的引入产生极轻且高强度的材料。例如，我们的骨骼、植物的根茎以及蜜蜂的蜂巢等。

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图 | 蜂巢（来源：Pixabay）
如果将这些材料放在显微镜下，我们会发现，它们之间充满了微小的空隙，以及复杂的几何结构。正是这些复杂的孔隙，让我们可以轻快地行走奔跑，且承受高强度的冲击。
因此，长期以来，众多材料工作者试图从自然界中汲取灵感，开放新型多孔材料，尤其是新型多孔陶瓷材料。
【投稿|Science封面：华人团队揭秘“派大星”完美骨骼，高强度新型材料正在路上】相比于金属和聚合物材料，陶瓷具有良好的力学特性、热学特性以及电化学特性可以更好地承受高温和腐蚀环境，但其脆性往往使其容易破损，从而极大限制了陶瓷材料的广泛应用。