2022年12月杂志俱乐部:微观结构和微体系结构的有序或无序:哪一个对机械性能更好?

微观结构和材料结构中的有序与无序:哪个对机械性能更好?传统的工程材料具有随机的微观结构:在一种典型的金属中，晶粒的大小、形状和取向可以在一定程度上加以控制，但其特征仍然是广泛的统计分布。橡胶和水凝胶可以被描述为随机网络。工程细胞材料，如聚氨酯泡沫或生物细胞材料，如软木或骨小梁，在细胞大小和互联性方面表现出很大的空间差异。制造技术的进步(自组装、聚合物化学、材料加工、微制造、增材制造……)使人们能够更好地控制材料的微观结构，现在可以用高度有序、空间周期性的“结构”来制造材料。然而，抛开制造限制和能力不提，对于机械性能而言，完美的周期性结构总是优于随机和随机微观结构吗?正如下面的例子所说明的，没有一个明确而普遍的答案。

冶金:完美的单晶具有低屈服强度，不适合大多数应用。点缺陷、合金化、线缺陷、晶界和多晶组织等“无序”特征构成了冶金强化的基础。然而，David Embury及其同事已经做出了重大努力，在金属中诱导有序的3D“架构”，使用各种加工方法在中尺度上创建高度控制的多层和梯度[1-3]。这些有序的结构可以实现空间分布的耐磨性，控制不稳定性和断裂，或金属的高强度和延展性的新组合。沿着控制良好的正弦模式分布的第二相颗粒也可以用来引导和“工程”裂纹的路径，同时也可以提高整体韧性[4]。然而，也有许多例子表明，无序在冶金中是有益的:在延性材料中，裂纹前随机分布的夹杂物比有规则分布的夹杂物产生更大的韧性，因为裂纹固定[5]和裂纹弯曲[6]的增加。极端地说，在金属中制造无序导致金属玻璃，其缺乏晶体结构和位错产生极高的强度(以牺牲延展性为代价[7])。在高熵合金中[8,9]，几种变形和断裂机制同时发生或按特定顺序发生(固溶强化、机械孪晶、马氏体形成、再结晶)，从而产生异常高的强度和韧性组合[10]。

密集的建筑材料:使用相同的构建模块可以实现高阶和周期性的材料结构[11,12]。在拓扑互锁材料(TIMs)中，规则的块阵列互锁形成由外部韧带机械约束的面板[13,14]。单个构件相对坚硬，但它们的集体滑动会导致大变形和能量吸收、摩擦滑动、渐进联锁(“几何硬化”)和变形的离域[15,16]。这些相同块的随机排列将导致材料质量差:我们最近将毫米大小的构建块或“颗粒”组装成具有FCC或BCC结构的完全致密的颗粒晶体。有序的力线、晶粒之间的平对平接触和受控的集体变形机制使颗粒晶体比随机排列的晶粒坚硬10-20倍[17]。然而，最近的一项研究[18]表明，在TIMs的平铺过程中引入一些不规则性，可以增强部分砌块之间的载荷传递，从而提高整体强度和韧性。

低密度建筑材料:传统的细胞材料如骨小梁、软木或固体泡沫具有随机结构，在细胞大小、形状和连通性方面具有很大的空间差异性[19]。在晶格材料中，这种随机性被消除了。这些材料可以使用小单元胞代表性元件进行建模和优化[20]，从而获得具有非常高的比刚度[21]、强度[22]或能量吸收能力[23]的材料，其性能优于随机细胞材料。周期性建筑材料也可以实现负泊松比[24]或可编程不稳定性[25]。在这种情况下，缺陷和缺陷被认为是降低机械性能的障碍[26-29]。然而，晶格中的缺陷也可以导致性能的重大改进。例如，完美晶格中的破坏可以通过设计来提高性能:“宏观尺度”晶界、沉淀和相可以提高坚固性和损伤容忍度[30,31]，这让人想起金属中的强化方法。不寻常的行为，如负泊松效应，并不需要完美的周期晶格，它也可以在随机细胞材料和无序网络中实现[19,32]。超材料和复合材料中的无序似乎正在卷土重来，现在它被设计成具有吸引力的材料响应[33-35]。

生物材料:有序还是无序?从自然材料中寻找答案是诱人的，但事情也不太清楚。上个月(2022年11月)的Journal Club讨论了晶体有序生物膜的好例子。生物材料确实显示出广泛的微观结构，其中许多是空间周期性的[36]。例如，胶原蛋白原纤维是生物学中主要的结构构件，它是由绳状分子(tropocollagen)组成的，它们的长度相同，约为300纳米。这些分子平行于原纤维的轴线，具有均匀的重叠(胶原原纤维的“d带”)，并具有高结晶秩序的3D排列[37]。这种排列对于单个原纤维内均匀的剪切滞后型负载传递至关重要[38]，分子之间的长度和重叠是负载传递的最佳选择[39]。因此，胶原纤维近乎完美的秩序对其性能和功能至关重要，微小的偏差或缺陷可能会产生深远的后果[40]。在下一个长度尺度上，高阶也会产生高的机械性能，如肌腱中的单向胶原原纤维[41]，鱼鳞中的交叉[42]或Bouligand纤维结构[43]。另一个具有周期性微观结构的生物材料的著名例子是珠质，它可以被描述为一个三维的砖和砂浆结构。 A key mechanism in nacre is the massive sliding of the bricks on one another under tensile load, which generates ductility and powerful toughening mechanisms. We recently demonstrated that any small deviations from the perfect periodicity of a “brick wall” is detrimental to strength, to energy absorption and to fracture toughness [44, 45]. The explanation is simple: a perfect brick wall has a homogenous strength distribution. Introducing local variations of strength creates weaker regions, whose failure and coalescence governs tensile strength and ductility. More spatial variations make the weaker regions (the “weakest links”) even weaker, which further decreases overall performance. Achieving nacre-like spatial periodicity in synthetic material with micron-size microstructures is not currently possible [46-48], which is probably why these materials cannot duplicate the massive and collective sliding of the bricks in natural nacre. Perfectly periodic nacre-like brick walls can however be fabricated at larger length scales, enabling collective tablet sliding and high toughness [49-51]. These examples highlight the importance of order in collagenous materials and nacre. Yet, disorder is also found in many strong and tough biological materials [52]. The same collagen fibrils assemble in random networks to form skin, a remarkably tough and damage tolerant material. The random network of collagen fibrils in skin enables large deformations and a key mechanism where collagen fibrils are “recruited” to align along the direction of loading, generating stiffening and strengthening along that direction. It is the random and “loose” microstructure of skin that enable this dynamic adaptation to mechanical loads [53]. Other examples of disordered biological materials include mussel adhesives, hedgehog quills, oyster cement [52]. In these materials, disorder at the atomic scales, nanoscale or microscale promotes compliance, isotropic behavior, resilience, and adaptability to changing loading conditions. Adaptation mechanisms in random biological materials have in fact recently inspired virtual “growth rules”, which have produced cellular materials with unusual graded properties and mechanical robustness against damage [35]. Bone is a complex hierarchical material which displays highly periodic features together with random microstructures [52]. Is this an outcome of growth or is bone trying to get the best of both order and disorder?

那么，微观结构和材料结构中的有序与无序:哪一个对机械性能更好?这里引用的论文列表绝不是全面的，但它说明了文献中发现的相互矛盾的答案。无序只对某些机制或某些特性有益吗?还是只在特定情况下?或者只有在严格的规则下才能引入?这些问题的答案似乎对材料和结构的设计和优化至关重要。

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