受骨骼啟發 科學家開發出具有可調整剛度的輕質材料

這種新材料的設計是由普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員構思的，其特點是所謂的spinodal微結構。這些網狀的微孔是以骨、動物角和木材等天然材料中發現的不同類型的孔為模型，這些孔具有不同的形狀，如柱子、鉆石或球體，以獲得最佳性能。結構中的孔的方向、大小和形狀可以被微調，以提供特定方向的硬度，例如，或控制材料的密度或重量。

佐治亞理工學院的研究生、這項新研究的第一作者Fernando Vasconcelos da Senhora說：“你有實際的結構和微觀結構一起工作來獲得卓越的性能。”

研究人員通過設計和3D打印一個由光聚合物樹脂制成的面部植入物原型來證明這些材料的潛力。該植入物具有精心設計的柱子和扁豆形狀的孔，其硬度足以承受咀嚼的力量，而孔的大小也能通過促進體液的流動來促進骨骼的生長和愈合。

據科學家們說，由于幾何形狀可以被如此精細地調整，這些植入物可以由許多不同的材料制成。在另一個例子中，他們用自旋微結構作為噴氣發動機支架的基礎，該支架將發動機固定在飛機上。然而，對于人體的植入物，生物安全材料將是明顯的選擇。

“更好的不是基礎材料。更好的是微觀特征。”共同作者、佐治亞理工學院機械工程系助理教授Emily Sanders說：“理論上，我們可以用任何材料制作支架--最合適的是探索生物相容性材料。”

研究人員說，這些被他們稱之為結構化材料的創造物的潛力在于它們在一個物體中不同類型的微結構之間無縫過渡的方式。這使得它們不太可能有弱點，同時允許對剛度和其他特性進行微調。

該項目的主要研究人員Glaucio Paulino說：“我們擁有一種相當強大的技術，因為它將材料結構與不同規模的優化結合起來，并與增材制造結合起來。從規模化的意義上說，它可以有廣泛的應用，因此它可以應用于納米和微觀技術，以及中尺度和宏觀尺度。”

該研究發表在《先進材料》雜志上。