墨鱼骨骼为什么如此坚硬？
研究人员正在端详一块墨鱼骨微结构的3D打印模型。图片来源：Peter Means for Virginia Tech。
Ling Li在一次机械工程课上介绍了碳酸钙等易碎材料在压力下的应变性。在课上，他拿起一支粉笔（由碳酸钙组成）从中间掰成两截，并将一个截断面展示给学生们看——又钝又直。
随后他拿起另一根粉笔并扭断它，产生的断面为更尖锐的45度角，表明了粉笔在沿拉应力方向上更加脆弱。Li借由这根断掉的粉笔说明，易碎的碳酸钙在正常作用下会折断。Li说道：“如果你折它，它就会被折断。”
Li的实验室主要研究生物学和仿生学材料。他研究过的海洋动物的生物结构材料，许多都具有碳酸钙结构。有的软体动物利用碳酸钙形成光子晶体结构，具有丰富的表面颜色，Li解释道，“就像蝴蝶的翅膀那样。”另一些海洋动物还有由矿物质组成的眼睛和壳。随着对这些动物研究的深入，Li惊讶地发现，它们的身体正是由这类脆弱易碎的材料构建的，但通过恰当的使用，反而表现出相反的坚韧特性。
在发表于《美国科学院院刊》的一篇文章中，Li的团队重点研究了墨鱼——它也是一种能创造性地利用碳酸钙构建身体、并能自由在各种海洋深度中出入的动物。他们研究了墨鱼骨高度多孔的内部微结构，并发现其具有独特的、分腔室的“墙-隔板”（wall-septa）设计。这种微结构重量极轻、坚硬而且耐损伤。他们的研究揭示了这种潜在的材料设计策略，使得墨鱼骨具有很高的机械性能，尽管这一结构主要由脆弱的文石（碳酸盐晶体）。
在海洋中，墨鱼将墨鱼骨当作一个坚硬的浮力箱，通过调整浮力箱中的水-气比例，来控制身体所在的深度（可下潜至600米深）。为此，墨鱼骨必须质轻且多孔，以便进行积极的流体交换，同时还要足够坚硬，还需要足够坚硬以保证墨鱼在深潜时能承受住水压。一旦墨鱼骨因为水压或捕食者的攻击而受损时，它还需要能够吸收大部分能量，从而损害限制在局部区域，不至于影响整个骨架。
在研究墨鱼骨内部微结构的过程中，Li的团队发现，正是因为需要具有多种功能，墨鱼骨才变得如此独特。
文章的共同作者、博士生Ting Yang使用基于回旋加速器的微型电脑断层扫描技术，构建了墨鱼骨的三维微结构，并利用阿贡国家实验室高功率的X射线扫描墨鱼骨，生成了高分辨率的图片。在机械性能测试过程中，他们借助原位层析成像技术，观察到墨鱼骨被挤压时的内部微结构状态。
随后，他们又利用电子成像相关技术将这些电子图片联系起来，并逐帧比较和研究墨鱼骨在载荷下的完全变形和破碎过程。这些实验揭示了更多关于墨鱼骨分腔室的“墙-隔板”式微结构，以及其优异的优化重量、硬度和耐磨损的特性。
一块取自墨鱼骨的立方体状样本被放置在用于压力测试的机械测试台上。图片来源：Peter Means for Virginia Tech
借助竖直的“墙”结构支撑形成的“地板”和“隔断”结构，墨鱼骨被分割成许多独立的腔室。鸟类等动物也拥有类似的结构，即所谓的“三明治”结构——两层致密的骨头之间由竖直的隔断结构支撑，这样使得结构质量轻且坚固。但墨鱼骨的微结构有许多层，用于支撑的“墙”结构也呈波浪状而非竖直的结构，且波浪的幅度从底部到上层逐渐增大，呈现一个“波浪状”梯度。
Li表示，“这是我们以前从未见过这种结构，至少其他模型中没有。”“墙-隔断”的设计使墨鱼骨能够控制损伤的位置和程度。这样的结构让损坏来得更“轻柔”：受压时，腔室一层要接一层毁坏，这是一个渐进的而非瞬时的过程。
研究人员发现墨鱼骨的波状隔断能将损坏控制在处于中间层的腔室“墙”，而非底层或顶层，否则往往会导致整个结构的破坏。当一个腔室发生毁坏并变小——即被毁坏的腔室中破碎的壁面逐渐被压缩，相邻的腔室会保持完整，直到其底层和顶层破碎。Li解释道，在这一过程中，大量的机械能被吸收，限制了外力的影响。
借助计算机模型，Li的研究团队进一步研究了墨鱼骨微结构的潜力。博士后研究员Zian Jia利用通过三维X射线断层摄影获得的微结构测量数据，构建了一个虚拟的参数模型，通过在模型中测试当腔室墙的波浪状程度改变时，它的性能变化。
Li表示，“我们已经知道墨鱼骨的波状隔断具有一定梯度，Zian通过数学模型改变这一梯度，并研究具有不同梯度的模型的性能。改变之后的模型性能更好还是更差？我们的研究证明，墨鱼骨的结构是最优的。如果波状隔断的梯度偏大，结构硬度就会降低；如果偏小，结构又会变得易碎。墨鱼骨的结构似乎处于一个能够平衡强和能量吸收率的最佳状态。”
Li看到了这种墨鱼骨微结构在泡沫陶瓷中应用的潜力。在包装、运输和构建基础设施中，人们更倾向使用高聚物和金属材料，来抵抗冲击或吸收能量。Li表示，泡沫陶瓷由于易碎很少会用到。但陶瓷有其独特的优势：化学性质更稳定，而且耐高温。
Li相信，如果能将新发现的墨鱼骨抗毁坏特性融入泡沫陶瓷，并与其耐高温的特性相结合，便能够赋予该材料理想的性能，并被用于太空飞船或日常热防护领域。他的团队在另一项单独的研究中评估这一应用。尽管受到墨鱼骨的启发，该团队已经开始在自然界探寻其他材料的应用潜力，不过对Li来说，研究墨鱼骨结果基本的设计同样很重要。
Li表示，“自然界中存在形成了许多结构材料。”这些材料往往在室温和常压下被制造，而不像金属那样需要进行高温处理，难以在自然环境中生产出来。我们对生物结构材料和工程结构材料之间存在的差异，十分着迷。或许我们的研究还能将两者联系，制造出新的结构材料吗？”
来源：环球科学