向大自然学习：开发高强度超级材料

牛津仪器

2020/01/09 10:42

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大自然经过数百万年的进化，已经完善了利用相对较弱的构件造出异常坚固材料的工艺。海洋双壳类动物，如蛤蜊和贻贝的外壳就是一个很好的例子：它们由强度相对较弱的碳酸钙构成，但晶粒的排列方式使得它们相对较薄的外壳变得异常坚固。

材料科学家们正在努力向自然学习,并开发模仿自然结构的合成材料。然而，要有效地做到这一点，必须对相关的天然材料进行表征，并了解其强度背后的原因，电子背散射衍射(EBSD)就是用于这种表征的一种理想的技术。牛津仪器公司最近开发的基于CMOS的EBSD探测器为生物材料的常规表征提供了必要的速度和灵敏性。

材料科学家们能从贝壳中学到什么？

海样贝壳中的碳酸钙 (CaCO3) 有两种形式--文石和方解石。化学上无法区分，但具有两种常见的晶体结构。这两种矿物强度相对较弱，但大自然通过将亚微米厚的文石排列成层状结构--珍珠层，显著提高了材料的强度。通过使用合成材料复制这种排列,材料科学家可以生产出一类超强材料用于高应力环境。然而，为了向大自然学习，必须首先准确地表征珍珠层的详细结构。

牛津仪器如何开发EBSD系统来帮助生物材料分析？

方解石、文石等矿物对电子束很敏感，但衍射花样较弱。为了能够有效地表征珍珠层的结构，需要一个快速但敏感的EBSD探测器。将CMOS技术创新地集成到牛津仪器EBSD探测器系列中，可以使用低波束能量和电流在毫秒内采集高质量的衍射花样。因此，可以在几分钟内通过纳米尺度分辨率对珍珠层进行表征，这在传统的基于CCD的EBSD技术中是不可能实现的。

研究人员如何将其付诸实践？

通过文石珍珠层的高分辨率取向图，研究人员能够了解具有很高强度的文石片层的复杂晶体学排列。有了这样的了解，就有可能尝试使用合成材料复制这种结构：科学家们正在试验各种晶体材料，如Al2O3和CaHPO4,创造具有高强度和韧性的人造珍珠层。这些材料在生物医学、航空航天和军事领域有诸多应用。