軟體動物的殼盡管高度礦化，仍展現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和韌性，這得益于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效控制裂縫及其他類型的局部變形（如剪切帶）的擴(kuò)展。以皇后海螺為例，其殼內(nèi)部的交叉層狀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和韌性而聞名。基于皇后海螺殼的幾何設(shè)計(jì)原理，改良后的超材料有望規(guī)避強(qiáng)度-傳導(dǎo)性和強(qiáng)度-密度之間的典型權(quán)衡。受皇后海螺殼交叉層狀微結(jié)構(gòu)的三維分層和交互式結(jié)構(gòu)概念的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的生物啟發(fā)力學(xué)超材料。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)允許采用一種優(yōu)美的失效機(jī)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(qiáng)了超材料的機(jī)械完整性和整體的應(yīng)變均勻性。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)強(qiáng)韌的超材料提供了新的視角。

圖1.交叉層狀結(jié)構(gòu)示意圖。(a)生物啟發(fā)交叉層狀設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。(d) 生物啟發(fā)超材料的五級分層結(jié)構(gòu)。比例尺從上到下分別為50μm、25μm和200nm。

皇后海螺的微觀結(jié)構(gòu)圖展示了其內(nèi)部的交叉層狀結(jié)構(gòu)。其整體結(jié)構(gòu)由一個 0o- 90o - 0o的片層組成，每一層又由方向?yàn)?+/-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(jié)構(gòu)包含了從幾十納米到幾厘米的四個不同尺度的特征結(jié)構(gòu)。受此結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。具有不同交叉片層取向的片層在結(jié)構(gòu)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(jié)合的新構(gòu)型。這與通常具有均勻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)點(diǎn)陣超材料有很大不同。這種片層間的旋轉(zhuǎn)模擬了交叉層狀結(jié)構(gòu)，這是剪切帶抑制的關(guān)鍵特征。

實(shí)驗(yàn)人員建立了七種不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)超材料構(gòu)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(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm），實(shí)現(xiàn)了超材料樣品的高分辨制備。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，交叉層狀設(shè)計(jì)的生物啟發(fā)超材料在壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)出顯著的力學(xué)性能提升。例如，Hex（六層）樣品在力學(xué)性能方面相比于Mono樣品有顯著改善；其模量、屈服強(qiáng)度、流動應(yīng)力（在30%應(yīng)變時）和比能量吸收分別提高了64%、25.9%、35.8%和36.4%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，交叉層狀設(shè)計(jì)的超材料在壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)出顯著的力學(xué)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(shí)現(xiàn)這些性能提升的關(guān)鍵。通過引入無量綱化參數(shù)無量綱化參數(shù)1/√（h/L）進(jìn)一步對描述這種力學(xué)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(shí)驗(yàn)中的標(biāo)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(qiáng)度、流動應(yīng)力和韌性之間的線性相關(guān)性。這些參數(shù)的關(guān)聯(lián)性表明了設(shè)計(jì)的交叉層狀微結(jié)構(gòu)對于生物啟發(fā)材料的力學(xué)性能提升起到了重要作用。

圖2.具有不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。(b)Mono樣品在兩個給定應(yīng)變下的原位變形和相應(yīng)的數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)結(jié)果。(c)Tri樣品在兩個給定應(yīng)變下的原位變形和相應(yīng)的DIC結(jié)果。(d)Hex樣品在兩個給定應(yīng)變下的原位變形和相應(yīng)的DIC結(jié)果。比例尺為5mm。

隨后，作者對超材料進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)交替排列有效地約束了各層級結(jié)構(gòu)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(qiáng)了超材料的力學(xué)性能，體現(xiàn)為強(qiáng)度和韌性的增加。這種自增強(qiáng)響應(yīng)不以提高結(jié)構(gòu)的相對密度為代價。數(shù)字圖像相關(guān)分析進(jìn)一步驗(yàn)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(jié)果表明，交叉片層和異質(zhì)排列可以帶來屈服強(qiáng)度、流動應(yīng)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(jié)果。(a)在兩個給定應(yīng)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(yīng)的模擬結(jié)果。(b)Tri樣品的原位變形行為和相應(yīng)的模擬結(jié)果。(c)Tri樣品截取部分的模擬結(jié)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(jié)果。(f)層間部分的模擬結(jié)果。(g)元胞間部分的模擬結(jié)果。比例尺為5mm。

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