研究人员发现cut骨的微结构位于最佳位置

李玲(Ling Li)在其机械工程课程中有一门课程是关于脆性材料(如碳酸钙)在压力下的行为。在其中，他拿起一支由混合物组成的粉笔，并将其折成两半，向学生展示了其中一个碎片的边缘。休息时间直截了当。

然后，他扭曲了第二块，这导致以45度角断裂的更锋利的碎片，表明粉笔上拉应力的方向更加危险。破碎的白垩有助于Li证明脆性碳酸钙在法向力下会做什么：它趋于破裂。

李肇星说：“如果弯曲它，它将断裂。”

在李的生物和生物启发材料实验室中，他研究过的许多海洋生物的生物结构材料都含有碳酸钙。李说，某些软体动物将其用于光子晶体中，从而形成生动的色彩显示，“就像蝴蝶的翅膀”。其他人的贝壳中则装有矿物眼。李对这些动物的研究越多，他对它们的身体对于固有的脆性和脆性材料的用途的惊讶就越大。特别是当使用克服了这种脆弱性时。

在美国国家科学院院刊上发表的一项研究中，李的研究团队将目光投向了墨鱼，墨鱼是另一只用粉笔建造的富有创造力的动物，是海洋深处的旅行者。研究人员研究了软体动物的高度多孔的内壳-cut骨的内部微观结构，发现该微观结构独特的，有腔的“壁隔”设计优化了cut骨，使其极为轻便，坚硬且耐损伤。尽管壳的成分主要是脆性文石(碳酸钙的一种结晶形式)，但他们的研究仍针对使硬骨具有这些高性能机械性能的基本材料设计策略。

在海洋中，墨鱼使用墨鱼骨作为硬质浮力箱，以控制其在水柱上的上下运动，其深度可低至600米。动物会调节该水箱中的气体与水的比例，使其向上或向下浮动。为了达到这个目的，外壳必须轻巧且多孔，以进行有效的流体交换，同时又要足够坚硬，以保护墨鱼的身体在深潜时不受强水压的影响。当cut骨确实被压力或掠食者的咬伤压碎时，它必须能够吸收大量能量。这样，损伤就留在了壳的局部区域，而不是粉碎了整个骨刺。

Li的团队在检查壳的内部微观结构时发现，需要平衡所有这些功能，才使cut骨如此独特。

博士学生和研究的合著者Ting Yang使用基于同步加速器的微型计算机断层扫描来表征3D中的cut骨微结构，并使用来自Argonne国家实验室的强大X射线束穿透外壳，以生成高分辨率图像。她和研究小组通过在机械测试中采用原位层析成像方法观察了壳体被压缩后微观结构的变化。他们将这些步骤与数字图像相关性相结合，从而可以进行逐帧图像比较，他们研究了荷载作用下cut骨的完整变形和断裂过程。

他们的实验揭示了更多有关cut骨腔室“壁隔”微结构及其优化重量，刚度和损伤耐受性的设计的信息。

该设计将cut骨分隔成单独的小室，这些小室的地板和天花板(或“ septa”)由垂直的“墙”支撑。其他动物(如鸟类)也具有类似的结构，称为“三明治”结构。该结构在另一层之上有一层致密的骨头，并且中间有垂直的支撑柱，使结构轻巧而坚固。但是，与三明治结构不同的是，s骨的微观结构有多层-这些腔室-它们由波浪形的壁而不是直的支柱支撑。波纹度以“波纹度梯度”从地板到天花板沿着每一壁增加。

“我们至少在其他模型中还没有看到确切的形态，”李说。这种壁隔设计可让cut骨控制外壳中损坏的位置和方式。它允许出现优美的故障，而不是造成灾难性的故障：被压缩时，腔室会逐渐而不是瞬时地逐个失效。

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