以自然为样板 - 多孔而坚固的轻量化材料

       美国普林斯顿大学的一组研究人员受骨骼和其他天然材料的启发，开发了一种强大的轻量化材料，用于飞机、建筑和骨骼植入物。这种材料与骨头、木材和其他自然材料的多孔性相似。该材料也比工业中使用的传统材料更轻，可以策略性地用于在高压力区域提供更多的刚性。

许多自然材料，包括骨头、动物角、木材和沙币骨架，都充满了洞。空洞的空间使材料变轻，在某些情况下，体液可以通过孔隙流动。在骨骼中，这些空隙允许一个重塑过程，使骨骼的密度增加或减少，这取决于物理压力。

在一项新的研究中，普林斯顿大学的研究人员通过设计具有不同大小、形状和方向的孔（spinodal结构）的微结构来模仿天然材料。新的对象被称为建筑材料，根据材料和几何之间的关系，具有可适应的性能。孔的形式可以是球体（如沙币骨架）、钻石（骨）、柱子（木）或透镜（角）。

研究人员能够通过改变形状使材料在不同的方向上具有刚度。他们通过改变孔的大小来控制材料的密度，并改变物体内孔的方向，以增加受压区域的硬度。

为了证明潜在的用途，研究人员设计并3D打印了一个面部植入物，例如那些用于车祸后严重面部受伤的植入物。目前，外科医生使用塑料或钛来制造多孔植入物，允许骨质通过孔洞重新生长，但这些植入物不能像尖晶石架构那样进行微调。研究人员将带有柱状孔和透镜孔的部分结合起来，创造出一种植入物，其硬度足以承受咀嚼力，并且具有合适的孔径大小，以促进骨的生长和愈合。植入物原型是由光聚合物树脂制成的，但也可以用生物相容性材料进行3D打印，以便将来用于病人。研究人员还在自旋微结构的基础上为飞机建造了一个稳定的、同时也是轻量化的发动机支架。

"有了旋光微结构，我们就有了一种非常强大的技术，可以在不同尺度上优化材料结构，并与增材制造相结合。该技术适用于广泛的应用，因为它是可扩展的。它可以用于纳米和微观技术，也可以用于中观和宏观规模"。普林斯顿大学工程系教授、该项目的首席研究员Glaucio Paulino表示。

        图：被设计成模仿骨骼、木材和其他天然材料的微螺旋体物体比工业中使用的传统材料更轻，并可策略性地用于在高压力区域提供更多的刚性