2011年11月杂志俱乐部主题:硅藻的层次力学:从原子到有机体，从弱到强

硅藻的层次力学:从原子到有机体，从弱到强

本月iMechanica 万博manbetx平台Journal Club的主题是硅藻的层次结构和力学，硅藻是硅化生物，利用海洋中丰富的二氧化硅(“沙子”)来构建坚固、坚韧和坚硬的结构[1-10]。最近，在这些材料的综合测量、建模和合成方面取得了最新进展，导致在力学和生物学的界面上进行了令人兴奋的研究，因此，对这一领域的兴趣已经恢复。

图1．图像显示硅藻硅结构的广泛多样性。(a) Bar = 1µm， (b) Bar = 5µm， (c) Bar = 10µm， (d) Bar = 500 nm， (e) Bar = 2µm， (f) Bar = 10µm， (g) Bar = 2µm， (h) Bar = 2µm， (i) Bar = 50µm， (j) Bar = 2µm， (k) Bar = 1µm， (l) Bar = 10µm。经美国化学会许可，转载自[4]。

什么是硅藻?

硅藻是真核单细胞生物，普遍存在于水环境中，它们是海洋中生物二氧化硅形成的主要贡献者。这些藻类所使用的材料是自然界中最简单的材料。它们保护细胞壁的基本成分是二氧化硅(Si02)，这是自然界中发现的最脆弱的材料之一。在体积状态下，二氧化硅在初始裂纹扩展时容易发生灾难性破坏，在断裂过程中几乎不耗散任何能量。然而，最近的实验和计算工作表明，尽管藻类的细胞壁是由这种劣质建筑材料制成的，但藻类的细胞壁却表现出一种高度先进材料的机械特性[1-9]。世界上存在着近10万种不同种类的硅藻，它们有着各种各样的几何形状(图1)，并且它们都显示出从纳米到微米长度尺度的分层结构(图2）.

图2．中心硅藻示意图。图改编自[7]，经Springer许可。

挑战与机遇

其中一个有趣的研究问题是旨在了解通过硅基生物材料获得增强的机械性能的机制，尽管它们是简单的硅基构建块。这些浮游植物的一个共同特征是它们都有一个外墙来保护它们的内部结构。这些壁，通常也被称为小体，可以由一个或几个层状多孔壳组成，这些壳由纳米结构的无定形二氧化硅组成，其中含有一些有机成分[3]，通常尺寸为几十纳米。尽管如此，对硅藻小体力学响应的研究表明，这些小体具有令人印象深刻的断裂特性，远远优于其基本成分[2,3]。尽管在所有情况下，不同硅藻的结晶体的基本构建块都是二氧化硅，但结晶体的具体机械响应预计会因物种而异。关于该主题的几项研究表明，不同硅藻种类的结晶体的几何组成存在显著差异[3,6](图1）.这可能是因为不同的物种面临不同的环境和威胁，对它们的保护可能有不同的要求。对与环境条件和威胁相关的挫折组成的研究可能会进一步深入了解各种几何形状如何服务于各种机械功能的具体机制。这些壁可以有多种用途，从抑制病毒渗透，到保护动物免受天敌的咬咬和抵抗捕食者的消化。从设计盔甲和其他防护材料的角度来看，这使得硅藻特别有趣。

实验与理论力学

纳米尺度成像和压痕工具的最新进展有助于加深对折流壁结构和力学的了解。原子力显微镜，AFM，十月杂志俱乐部的主题，在这里特别重要。除了作为一种强大的机械测试工具外，AFM的使用增加了测量这些生物的小规模几何形状的可及性。已有研究表明，结晶体的力学性能高度依赖于位置，一些区域表现出类似块状二氧化硅的刚度，而其他区域则表现出更柔软的响应，[6,12]。此外，研究还揭示了一种迷人而复杂的结构结构，其特征长度范围包括几个尺度[6,7]。为了显示硅藻结构的复杂性，我们简要地讨论了中心硅藻Conscinodiscus sp.的结构组成的要点。这个分类群的细胞壁排列有三个不同的多孔硅层;小枕骨，小枕骨，小孔，从外到内依次排列。在筛顶和孔层之间可见蜂窝状结构，称为乳晕。蜂窝状结构是一种众所周知的结构，以最小的重量提供高抗压性，并且在乳晕的情况下可能增加结构的整体强度[7]。

每一层都与不同的高度有序的网状孔排列有关。此外，每一层都与不同的孔径有关，孔径变化几乎有两个数量级，从最小的孔层(约40 nm)到最大的孔层(直径约1 μ m)。图2）.此外，两个外部结构层显示出非常有趣的三维拓扑结构，沿着表面重复类似形状的圆顶。圆顶是众所周知的，通常用于结构工程目的，以最小的重量和材料使用量形成结构，高度专业化，以承受压缩载荷。由于食肉动物的下颚是迫在眉睫的威胁，这些圆顶的形成可能是精心进化的产物。穹顶让硅藻壳主要以压缩方式吸收这些点载荷，而不是弯曲方式，弯曲方式吸收载荷的材料效率要低得多。

不同层的相互作用创造了一个结构层次，获得了优越的机械性能[3,6]。此外，如上所述，孔隙率在每层内的分布导致层的较软和较硬区域。这可以允许塑性变形发生在层内，允许整体结构的显著变形，尽管建筑块的脆性。因此，该结构能够在断裂前吸收大量能量[9]。多孔结构也会引起显著的裂缝偏转，大大增加了裂缝表面积，从而增加了断裂所需的能量。一个真正值得注意的方面是，尽管有这些多孔排列，结构仍然设法保持非常高的刚度和断裂强度[9]，其数值与广泛使用的工程材料相同。在某些硅藻种类中，弹性刚度甚至可以达到几百gpa [12]!从建模的角度来看，连续介质力学方法[3]和分子动力学方法[2]及其组合[9,10,17,18]适合提供硅藻的定量模型。特别是，与硅藻几何形状相关的长度尺度的介观性质表明，如果模型要正确捕获与关键力学性能(如断裂)相关的重要现象，则必须能够达到各种长度尺度。

展望:生物启发材料的层次结构

在硅藻的结缔组织中发现的等级结构因物种而异，但它们是所有硅藻的普遍特征。由于高质量材料资源的限制作为设计约束，这个自然系统使用层次结构和特定的几何结构作为设计参数(图2)[9 - 11]。在工程领域，成本效益作为一个基本的设计标准，这种方法是迷人的，非常有吸引力。显然，如果我们能够像自然界中硅藻的例子那样，以一种有益的方式组装劣质的积木，就能取得巨大的进步。我们能否大规模生产出具有如此复杂纳米级几何形状的材料?我们能否像硅藻那样可靠地实现分层材料?相关的装配技术在经济上是否可行?我们改进的理解有可能从简单的构建模块设计出新颖的功能材料，应用范围从光学到结构材料。

参考文献

1.鲍志辉，等。三维二氧化硅微组件的化学还原制备微孔硅复制品。自然,2007年。446(7132):第172-175页。

2.Garcia, a.p.，《受硅藻启发的超延展性、波浪状二氧化硅纳米结构》。工程材料学报，2011 (10):p. 405-414。

3.Hamm, c.e.等。硅藻壳的结构和材料特性提供了有效的机械保护。自然,2003年。421(6925): p. 841-843。

4.希尔德布兰德，M.，硅藻，生物矿化过程和基因组学。化学评论，2008。108 (11): p.4855 - 4874。

5.Losic, D.， J.G. Mitchell和n.h.w oelker，纳米技术和先进材料中的硅藻课程。先进材料，2009。21(29): 2947-2958页。

6.Losic, D.等人，原子力显微镜(AFM)表征多孔二氧化硅纳米结构的两个离心原子。多孔材料学报，2007。14(1): p. 61-69。

7.Losic, D.等，硅藻生物二氧化硅表面的AFM纳米压痕。朗谬尔,2007年。23(9): p. 5014-5021。

8.马德林，李立强，李志强，《硅藻的进化:5 .主要分支的形态学和细胞学支持和分类修订》。Phycologia, 2004年。43(3): 245-270页。

9.Sen, D.和M.J. Buehler，结构层次定义韧性和缺陷容忍度，尽管简单和机械上较差的脆性构件。科学报告，2011。1.

10.陈建军，张建军，张建军，张建军，超延性硅藻纳米二氧化硅结构的研究进展，生物材料学报，2011。13: B405-B414。

11.功能性和病理淀粉样蛋白材料的纳米力学。自然纳米技术，2011。6(7)，第469-479页。

12.Almqvist, N.， et al.，原子力显微镜研究pennate硅藻的微观力学和结构特性。光学精密工程，2002,26 (3):p. 518-532

13.Nassif, N.， Livage, J.，《从硅藻到硅基生物杂交种》。化学导报，2011,40(2):p. 849 - 859

14.Kroger, N.， Sandhage, K.H，从硅藻生物分子到生物启发合成二氧化硅和二氧化钛基材料。医学通报，2010,35(2):p. 122-126

15.孙强，生物启发合成介孔二氧化硅。固体材料学报，2004,8(2):p. 111-120

16.徐敏，直接墨水书写组装三维富多胺支架的仿生硅化。软物质，2006,2:p。205 - 209

17.nugeally, m.h.，并发多尺度问题的自适应模型选择程序。我计算机工程学报，2007,35 (5):p. 369- 369

18.复合网格原子连续体方法:用原子分析桥接连续体的自适应方法。计算机工程学报，2004,2(3)