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灵感源于骨骼,科学家利用立体光刻技术开发出可调整刚度的轻质材料

时间:2022-04-27 11:14 来源:cnBeta.COM 作者:admin 阅读:
极光尔沃
       据New Atlas报道,科学家们在研究下一代材料时经常从大自然中寻求灵感,一个研究骨骼和木材的多孔微结构的工程师小组想出了一个巧妙的生物模仿例子,具有广泛的潜力。这种轻质的新材料充满了小孔,可以在外科植入物和飞机中找到应用,以便在受力区域提供高程度的刚度。


         这种新材料的设计是由普林斯顿大学和佐治亚理工学院的研究人员构思的,其特点是所谓的spinodal微结构。这些网状的微孔是以骨、动物角和木材等天然材料中发现的不同类型的孔为模型,这些孔具有不同的形状,如柱子、钻石或球体,以获得最佳性能。结构中的孔的方向、大小和形状可以被微调,以提供特定方向的硬度,例如,或控制材料的密度或重量。佐治亚理工学院的研究生、这项新研究的第一作者Fernando Vasconcelos da Senhora说:“你有实际的结构和微观结构一起工作来获得卓越的性能。”


       研究人员通过设计和3D打印一个由光聚合物树脂制成的面部植入物原型来证明这些材料的潜力。该植入物具有精心设计的柱子和扁豆形状的孔,其硬度足以承受咀嚼的力量,而孔的大小也能通过促进体液的流动来促进骨骼的生长和愈合。据科学家们说,由于几何形状可以被如此精细地调整,这些植入物可以由许多不同的材料制成。在另一个例子中,他们用自旋微结构作为喷气发动机支架的基础,该支架将发动机固定在飞机上。然而,对于人体的植入物,生物安全材料将是明显的选择。
      “更好的不是基础材料。更好的是微观特征。”共同作者、佐治亚理工学院机械工程系助理教授Emily Sanders说:“理论上,我们可以用任何材料制作支架--最合适的是探索生物相容性材料。”研究人员说,这些被他们称之为结构化材料的创造物的潜力在于它们在一个物体中不同类型的微结构之间无缝过渡的方式。这使得它们不太可能有弱点,同时允许对刚度和其他特性进行微调。该项目的主要研究人员Glaucio Paulino说:“我们拥有一种相当强大的技术,因为它将材料结构与不同规模的优化结合起来,并与增材制造结合起来。从规模化的意义上说,它可以有广泛的应用,因此它可以应用于纳米和微观技术,以及中尺度和宏观尺度。”
该研究以题为“Optimally-Tailored Spinodal Architected Materials for Multiscale Design and Manufacturing”的论文发表在《先进材料》杂志上。


相关论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109304

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