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( 二 )
以自然为灵感开发新型多孔陶瓷材料此前 ， Li 博士的团队曾在墨鱼骨中发现 ， 其独特的多孔生物陶瓷结构同时具有坚固、抗断裂特性 ， 且能用于浮力调节 。这个项目以及其他类似的研究激发了 Li 博士在微观尺度上研究自然界多孔结构的应用 。
在这项工作中 ， Li 博士及其团队将目光放在了多节海星的骨架上 。以往在电视中我们经常会看到海星以各种慵懒的姿势躺平 ， 因此很多人第一影响就是海星是一种非常柔软的动物 。
然而实际上 ， 海星作为一种棘皮动物 ， 其拥有中胚层形成的内骨骼 ， 各种形式的小骨片经结缔组织连接形成一个整体 ， 虽然质量很轻 ， 但是强度非常大 ， 就像防弹衣那样坚韧 。
显然 ， 海星骨骼所表现出的高强度和高韧性是一种理想的材料 ， 揭示其原理有助于制造出更坚固 ， 更耐用的多孔陶瓷材料 。
为此 ， Li 博士带领研究团队在纳米级表征和制造实验室对这些海星骨骼样本进行了观察 ， 结果发现 ， 在微观尺度上 ， 海星骨架所呈现出的晶格结构非常规则 ， 与此前墨鱼骨以及海胆刺的多孔结构完全不同 。相反 ， 这是目前发现的无脊柱动物骨骼中最有规律的结构 ， 这种规律的结构与人类现代建筑项目常用的空间框架结构非常相似 。
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（来源：Virginia Tech）
随后 ， 研究人员开始探索这种天然的晶格材料是如何具有如此高的机械强度的 ， 毕竟海星骨骼和粉笔的主要成分都是方解石 ， 显然粉笔的强度要远低于海星 。
然而 ， 研究结果远超Li博士的预料 。他们发现 ， 海星体内每一个小的骨片都是由一个单独的微晶格结构构成 ， 这种结构非常均匀 ， 通过节点连接各个分支 ， 类似于埃菲尔铁塔的建筑结构 。更有趣的是 ， 研究小组发现 ， 这种微晶格的均匀结构本质上是原子水平的单晶结构 。
这种结构允许海星在特定方向战略性加强骨骼 ， 提供增强保护 。此外 ， 这种动物似乎还可以沿着选定的方向和特定区域加厚触手 ， 从而提高机械性能 。类似于人体可以通过改变多孔骨骼局部几何形状以适应身体活动能力 。
对此 ， 生物矿化专家、弗吉尼亚理工大学特聘教授 Patricia Dove 表示 ， “生活在高度掠夺性海底环境的海星和其他棘皮动物正在揭示一个新的材料世界 ， 仅用海水和一些有机成分 ， 生物界就可以之指导非凡骨骼的形成 。这一工作对机械工程领域新材料设计具有重要意义 。”
据悉 ， 目前 Li 博士及其合作者正在尝试使用 3D 打印技术来建模和生成这些复杂晶格结构 。虽然目前Li团队创建的 3D 打印模型可以在视觉上与之媲美 ， 但是将这种全新的 ， 强大的陶瓷架构推向市场仍旧需要一段时间 。
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图 | Li 博士展示海星骨架和 3D 打印模型（来源：Alex Parrish for Virginia Tech）
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