多孔固体Cellular solids（例如泡沫foams和蜂窝honeycombs结构），因其极高的力学和可调控性能，而广泛存在于自然和工程系统中。不过，目前发现的多孔固体材料，通常是基于多晶或非晶成分。
近日，弗吉尼亚理工学院与州立大学Ling Li团队在Sceince上发文，报道一种在多节正海星（Protoreaster nodosus）生物矿化骨骼中，发现了不寻常的双尺度单晶微晶格。该结构具有金刚石-三重周期性最小表面triply periodic minimal surface，TPMS，几何结构（晶格常数，约30微米），其[111]方向在原子尺度上与组成方解石的c轴对齐。这种双尺度晶体学上共排列的微晶格，表现出晶格级的结构梯度和位错，结合生物方解石的原子级贝壳状断裂行为，大大增强了这种分级生物微晶格的损伤容限，从而为设计合成结构的空间点多孔固体，提供了重要见解。
A damage-tolerant, dual-scale, single-crystalline microlattice in the knobby starfish, Protoreaster nodosus
图1. 正海星小骨的金刚石-三重周期性最小曲面结构triply periodic minimal surface，TPMS微晶格。
图2. 小骨金刚石-TPMS结构晶格位错。
图3. 双尺度单晶金刚石-TPMS点阵
图4. 听小骨金刚石-TPMS微点阵的力学性能。
该项研究探究了多节正海星骨骼中的听小骨和钙质骨骼成分。研究表明，该结构具有原子级方解石和微米级金刚石的双尺度微晶格组成-三重周期性最小表面，以及成分梯度和原子级晶格缺陷。正是这些组合特征增强了小骨在压缩下的损伤容限，赋予了正海星非凡的特定能量吸收能力。
在这种多节正海星的钙质骨骼系统中，发现一种天然陶瓷结构的微晶格结构，其原子尺度的方解石和微尺度的金刚石-TPMS晶格，都显示出精致的晶体学最新记录。这种独特的双尺度微晶格，提供了多种有效策略来实现高刚度、高强度和高损伤容限，包括晶体共排列、晶格几何梯度和通过微晶格位错抑制解理断裂。不过，这些结构特征，如晶体共线排列或微晶格级缺陷，可能不一定是为了提高机械性能而进化的，而可能仅仅是棘皮动物骨骼复杂形成过程的副产品。
为此，这些工程实践经验强调了单晶材料的分层结构和晶体学设计的重要性，以实现优异力学性能。未来研究，将集中在这些复杂和高度周期性微结构的体内形成机制，这将对材料科学界具有重要价值。这些生物微晶格是，通过在环境条件下合成瞬态无定形前体相而产生的，而不是通过通常用于生产工程细胞固体的诸如烧结和化学气相沉积的能量密集型工艺。
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9472
DOI: 10.1126/science.abj9472
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