軟體動物的殼盡管高度礦化，仍展現(xiàn)出良好的強度和韌性，這得益于其結構設計能有效控制裂縫及其他類型的局部變形（如剪切帶）的擴展。以皇后海螺為例，其殼內(nèi)部的交叉層狀結構由四個不同層級的層狀特征組成，并以三維排列方式組裝，使其因良好的強度和韌性而聞名?；诨屎蠛Ｂ輾さ膸缀卧O計原理，改良后的超材料有望規(guī)避強度-傳導性和強度-密度之間的典型權衡。受皇后海螺殼交叉層狀微結構的三維分層和交互式結構概念的啟發(fā)，研究人員設計了一種新型的生物啟發(fā)力學超材料。這種創(chuàng)新設計允許采用一種優(yōu)美的失效機制，即允許出現(xiàn)大量受控剪切帶并將其限制在有限的空間域內(nèi)，從而大大增強了超材料的機械完整性和整體的應變均勻性。這些結果為設計強韌的超材料提供了新的視角。

圖1.交叉層狀結構示意圖。(a)生物啟發(fā)交叉層狀設計示意圖。(b)皇后海螺樣品的電鏡圖。(c)皇后海螺殼的五級分層結構。(d) 生物啟發(fā)超材料的五級分層結構。比例尺從上到下分別為50μm、25μm和200nm。

皇后海螺的微觀結構圖展示了其內(nèi)部的交叉層狀結構。其整體結構由一個 0o- 90o - 0o的片層組成，每一層又由方向為 +/-45o 的更小的子層組成，而每個子層都是更小的子層的集合體，最終這些子層又是單個文石晶體的集合體。因此，其內(nèi)部多級結構包含了從幾十納米到幾厘米的四個不同尺度的特征結構。受此結構啟發(fā)設計的異質(zhì)結構超材料也具有從基本元胞單元延伸到薄片，再到板、層，最后到體的多級結構。具有不同交叉片層取向的片層在結構中交替排列，創(chuàng)造了一種將整體周期性與區(qū)域特異性相結合的新構型。這與通常具有均勻內(nèi)部結構的傳統(tǒng)點陣超材料有很大不同。這種片層間的旋轉模擬了交叉層狀結構，這是剪切帶抑制的關鍵特征。

實驗人員建立了七種不同的異質(zhì)結構超材料構型，利用摩方精密研發(fā)的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch® S140，精度：10 μm），實現(xiàn)了超材料樣品的高分辨制備。根據(jù)實驗結果顯示，交叉層狀設計的生物啟發(fā)超材料在壓縮試驗中表現(xiàn)出顯著的力學性能提升。例如，Hex（六層）樣品在力學性能方面相比于Mono樣品有顯著改善；其模量、屈服強度、流動應力（在30%應變時）和比能量吸收分別提高了64%、25.9%、35.8%和36.4%。這些實驗結果顯示，交叉層狀設計的超材料在壓縮試驗中表現(xiàn)出顯著的力學性能提升，其中對于內(nèi)部剪切帶的間隔分布和空間域限制是實現(xiàn)這些性能提升的關鍵。通過引入無量綱化參數(shù)無量綱化參數(shù)1/√（h/L）進一步對描述這種力學性能的提升（其中L為樣品的特征長度，即樣品在原位壓縮實驗中的標距；h為樣品最大單層厚度），發(fā)現(xiàn)了該無量綱化參數(shù)與彈性模量、屈服強度、流動應力和韌性之間的線性相關性。這些參數(shù)的關聯(lián)性表明了設計的交叉層狀微結構對于生物啟發(fā)材料的力學性能提升起到了重要作用。

圖2.具有不同結構離散性的生物啟發(fā)超材料的剪切帶分布。(a)五種具有想等分層厚度的生物啟發(fā)超材料的結構示意圖。(b)Mono樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的數(shù)字圖像相關(DIC)結果。(c)Tri樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的DIC結果。(d)Hex樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的DIC結果。比例尺為5mm。

隨后，作者對超材料進行了系統(tǒng)的實驗與有限元仿真（FEM）對比研究。隨著交錯層數(shù)的增加，超材料內(nèi)部的剪切帶數(shù)量顯著增加且分布更加均勻。具有不同方向的結構交替排列有效地約束了各層級結構內(nèi)的剪切帶，這些交叉片層和異質(zhì)排列對剪切帶的限制增強了超材料的力學性能，體現(xiàn)為強度和韌性的增加。這種自增強響應不以提高結構的相對密度為代價。數(shù)字圖像相關分析進一步驗證了交叉片層和異質(zhì)排列帶來了大量受控于有限空間域的剪切帶。這些結果表明，交叉片層和異質(zhì)排列可以帶來屈服強度、流動應力、彈性模量和韌性的顯著提高。

圖3. 生物啟發(fā)超材料的模擬結果。(a)在兩個給定應變下，Bi和Quad樣品的原位變形行為和最長單剪切帶以及相應的模擬結果。(b)Tri樣品的原位變形行為和相應的模擬結果。(c)Tri樣品截取部分的模擬結果。(d)截取部分的位置示意圖。(e)板間區(qū)域和板間單元的模擬結果。(f)層間部分的模擬結果。(g)元胞間部分的模擬結果。比例尺為5mm。

該項成果獲得了香港研究資助局項目，四川省科學技術廳項目，香港創(chuàng)新科技署項目及休斯頓大學Thomas and Laura Hsu教授席經(jīng)費支持，以“Heterostructured mechanical metamaterials inspired by the shell of Strombus gigas"為題發(fā)表于固體力學頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。