具有輕質高強、減震吸能、隔熱隔音等優異性能的多孔材料在航空航天、輕量化軍事裝備等方面都有廣泛應用。然而，目前人工合成的多孔材料，在結構復雜性和性能優越性方面遠仍落后于竹子、骨骼、木材等許多天然生物多孔材料。向自然學習，通過模仿天然生物材料的結構特征并理解其優異性能的潛在機制將有助于設計下一代高性能多孔材料。
墨魚是海洋里游速最快的無脊椎動物，在海水中游泳的速度通？蛇_每秒15米以上，最大時速可達150公里，被稱為“水中火箭”。天然墨魚骨作為一種輕質高強的多孔材料，具有90%以上的孔隙度，但卻能承受水下100到400米的靜水壓，且在墨魚復雜的運動過程中仍能保持機械穩定性。浙江大學柏浩課題組受天然墨魚骨結構啟發，設計制備了輕質、高強并且具有高能量吸收能力的新型多孔材料。該仿墨魚骨材料能夠承受超過自身5萬倍的重量。該研究為利用生物啟發3D打印設計和制造高性能多孔材料提供了一種有效的方法。
該團隊通過micro-CT發現天然墨魚骨為層狀結構，層間由不對稱波浪壁連接。天然墨魚骨的層層斷裂方式使其具有零泊松比的性質，這種失效方式有利于墨魚骨避免整體性破壞，保持結構穩定性（如圖1）。
圖1：天然墨魚骨的結構與力學性能。(a, b) 天然墨魚及墨魚骨光學照片；(c) SEM照片顯示天然墨魚骨為層狀多孔結構，層間由均勻分布的墻壁隔開；(d) 由micro-CT圖像重建的天然墨魚骨的三維結構，顯示平行的層板由不對稱的s形波浪壁支撐；(e-f) 腹部側和脊背側的橫截面顯示出墻壁的不對稱性；(g) 墨魚骨的壓縮曲線顯示出長平臺期，層層斷裂機制使其具有零泊松比和高能量吸收性能。
通過不同模型的對比，發現天然墨魚骨的不對稱波浪壁結構可以同時實現高抗壓縮和抗剪切的性能。波浪壁結構的壓縮強度為直壁結構的10倍。不對稱波浪壁結構的剪切強度為對稱波浪壁結構的2倍（圖2）。
圖2：仿生模型的制備、測試及模擬。(a-c) CAD設計的仿生模型；（d-f）3D打印模型的光學圖；(g-i) 仿生模型的有限元模擬；(j, k) 壓縮與剪切測試結果。
此外，該團隊設計的仿墨魚骨多層結構材料也顯示出類似于天然墨魚骨的層層斷裂方式，證明了層狀結構有助于提高能量吸收能力，且可防止整體性破壞（圖3）。
圖3：仿墨魚骨結構多孔材料與其他多孔材料的對比。(a) 3D打印多層仿墨魚骨結構材料的壓縮測試光學圖；(b-e) 3D打印仿墨魚骨材料與其他點陣多孔材料光學照片；(f) 四種結構的壓縮應力-應變曲線對比；(g)比強度和能量吸收性能對比。
該工作揭示了天然墨魚骨的復雜層狀波浪壁結構對于同時獲得高孔隙率和優異力學性能的重要作用，為設計和制造高性能多孔材料提供了新的策略。
以上成果發表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2021, 2007348）。博士生茅安然為第一作者，柏浩研究員為通訊作者，其他作者包括博士后趙妮芳和博士生梁亞輝。該研究同時得到了浙江大學航空航天學院陳彬教授的指導。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007348
柏浩課題組網站：https://person.zju.edu.cn/bai/
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