9月16日， 日內瓦大學Vladimir L. Katanaev團隊發展了一種低成本的視黃素生產方法，并將其與蠟混合，成功地在人造表面上實現了類似昆蟲的圖靈納米涂層。通過改變視黃素和蠟的成分，比例以及覆蓋表面，再進行多層化結合，可生成具有多種特性的通用型，穩定、環保的表面納米圖案，可以經受長時間的高強度的洗滌而不會被破壞。作為對比實驗，單獨的視黃素，單獨的蠟或對照蛋白質混合物所構建的納米涂層效率低下。成果發表在Nature期刊上。
一周后，9月21日，仿生材料再次登上材料領域的頂刊Nature Materials。
第一作者：Matheus C. Fernandes
通訊作者：James C. Weaver, Katia Bertoldi
通訊單位：哈佛大學
研究要點：
1.證明了海綿的對角線增強策略在給定數量的材料下可獲得最高的抗屈曲性。
2.使用進化優化算法，證明了源自海綿的晶格幾何形狀接近了所考慮的設計空間的最佳材料分布。
3.結果表明，從海綿骨架系統研究中獲得的經驗教訓可用于實現幾何優化的方格幾何體，以避免整體結構屈曲，這對改進現代基礎設施應用中的材料使用具有影響。
一、研究背景：意義、現狀
十六烷基海綿的礦化骨骼系統通常被稱為金星的花籃，因其在多個長度尺度上的非凡的層次結構和機械堅固性而受到工程和材料科學界的極大關注。其組成的玻璃狀骨骼元素（刺）由中央蛋白質核心組成，周圍由固結的二氧化硅納米顆粒和稀薄的有機中間層交替同心層包圍。這些針狀針進一步組織形成高度規則的方格，并通過兩組相交的成對斜撐桿相交而得到加強，從而形成了類似于棋盤格狀圖案的交替開閉細胞。盡管先前已經證明了針狀體的疊層結構在阻止裂紋擴展和增加屈曲強度方面的作用，但這些針狀體的組裝所產生的雙對角方格子的潛在機械效益仍未得到充分挖掘。網格狀的開孔網格，例如在米曲霉的骨骼系統中發現的網格狀網格，由于其重量減輕，能量吸收高以及能夠控制聲波和熱波傳播的能力而被廣泛用于工程領域。通常，此類幾何的屬性和功能由其節點連接性決定。
擬解決的關鍵問題
具有簡單正方形幾何形狀（節點連通性為4）的晶格在載荷矢量具有橫向分量（它們是彎曲支配且唯一的抗剪力來自接縫）時是不穩定的，并且通常需要對角支撐來穩定結構。
核心內容
有鑒于此，哈佛大學的James C. Weaver和Katia Bertoldi教授課題組共同報道了結合使用有限元模擬和對不同晶格幾何形狀的3D打印樣本進行的機械測試。
圖1. 十六碳海綿海綿狀芽孢桿菌的代表性骨骼系統
要點1. 四種實驗設計和數值結果
首先，發現所有帶有對角線加固的設計（即設計A–C）的初始彈性響應幾乎相同，這表明不同的對角線加固設計不會影響結構的初始整體剛度。如預期的那樣，設計D由于其垂直和水平元素較厚而具有較高的初始剛度。其次，所有曲線均顯示出明顯的最大承重能力，其中設計A（采用海綿啟發的設計）可承受最高載荷。由于每個最大載荷都對應于屈曲的開始，因此我們推斷設計A在考慮的設計中顯示出最高的臨界屈曲應力。此外，在所有三個具有對角線的設計中，屈曲后的行為會導致整個樣品發生均勻的圖案轉變。相比之下，對于設計D，臨界模式產生的波長要比方形晶胞的尺寸大得多，從而導致后屈曲形狀在質量上與壓縮屈曲光束相似。實驗結果表明直到屈曲開始為止，數值結果和實驗結果之間都存在著密切的一致性，這證實了在捕獲線性狀態和臨界載荷時仿真的準確性。
圖2. 實驗和數值結果
要點2. 結構對變化的加載角的響應
為了降低計算成本并消除邊緣效應，本文利用結構的周期性并研究了具有適當周期性邊界條件的代表性體元（RVE）的響應。實驗結果表明，在任何加載角度下，所有包含對角鋼筋的結構的剛度實際上都是相同的，這進一步證實了結構剛度主要由沿加載方向分配的材料量決定。
圖3. 數值結果描述了結構對變化的加載角的響應
要點3. 實驗優化和結果驗證
優化后的實驗結果表明海綿啟發的設計非常接近呈現最高臨界應力的設計。本文證明了在曲霉中發現的骨骼組織模式可以適應在單軸壓縮下實現具有高抗屈曲性的晶格結構。
圖4. 優化結果和實驗驗證
要點4. 可擴展至設計各種長度的結構
實驗和有限元模擬均表明，采用海綿設計的設計更堅固，可以在更大范圍的施加位移范圍內承受15％的較高載荷，這說明了將這種設計并入懸浮結構的潛在好處。本文進一步使用有限元模擬來評估A–D設計在其他五種加載方式下的性能。對于所有考慮的荷載情況，發現A設計能夠承受比其他任何結構都要高得多的載荷-使其成為實現各種承重結構的最佳人選應用程序。盡管在此研究專注于厘米級的晶格，只要它們位于連續范圍內，該方法就可以擴展到設計各種長度范圍的結構。
圖5. 細長結構進行三點彎曲試驗的數值和實驗結果
小結
通過分析大腸埃希菌的骨架組織，本文發現其非平凡，雙對角線，棋盤狀的方格設計比現有結構提供了增強的機械性能。發現海綿啟發的格子該設計提供了一種出色的機制，可在各種載荷條件下屈曲開始之前承受載荷。通過使用優化工具來調查廣泛的多維設計空間，海綿骨架的結構幾乎與在單軸壓縮下提供最高臨界應力的晶格設計相同。通過在方形格子內智能地分配材料，可以生產具有最佳抗屈曲性的結構，而無需向系統中添加更多材料。本文的海綿狀網格的機械性能對于提高各種桁架系統的性能具有重要意義，其應用范圍從橋梁和建筑物等大型基礎設施到小型醫療植入物。
參考文獻：
Matheus C. Fernandes et al. Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges. Nature Materials, 2020.
DOI: 10.1038/s41563-020-0798-1
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1
