垂直于冷头xz截面的SEM图表明在传统的凝固-铸造（A&D）工艺中,成核中产生陶瓷颗粒的无序层。在双向凝固-铸造(C&F)条件下,在双重温度梯度下,冰晶体沿垂直和水平结晶，生长成良好结合的层状结构。图片来源:伯克利实验室

人们常说,大自然是历史上最伟大发明者。如果这是真的,那么美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家是自然最好的学习者。伯克利实验室的研究人员已经开发出一种凝固-铸造技术,使他们能够设计和创建出与骨骼、牙齿、贝壳和木头相适应的强度高,质地坚硬的轻质材料。

“我们的双向凝固-铸造技术可以提供制造新结构材料的有效方法,尤其是先进的材料，如需要高水平结构控制的复合材料，”和伯克利实验室材料科学系的Antoni Tomsia一同领导这项研究的材料力学行为的权威Robert Ritchie说。“我们被从纳米/微观到宏观尺度的天然材料的复杂分层架构所启发制成了虽然多孔且组成薄弱，但具有优秀属性的材料。”

利用双向冻结技术,伯克利研究人员能够成功地诱导陶瓷颗粒形成类似于珍珠层(珍珠母)的厘米级支架,多孔层状(交替层状)结构。有序排列的结构是通过具有不同斜度的聚二甲硅氧烷实验室“冷头”形成。在双向温度梯度下达成冰晶的成核和生长过程控制。

持有H.T.和加州大学伯克利分校(UC)的Jessie Chua特聘教授级高级工程师的Ritchie,是发表在《 Science Advances》杂志上详细描述这项研究论文的通讯作者之一。论文题为“生物启发的双向温度梯度集成的大尺寸排列多孔材料”Hao Bai,也是伯克利实验室材料科学系的,也是这项研究的主要负责人，论文的另一通讯作者。论文的其他作者有Yuan Chen和Benjamin Delattre。

尽管在组件有限和环境温度条件下工作,在过去几十亿年自然学会精巧制作许多令人难以置信的具有优美的、复杂结构的材料。这些材料通常强度高、质地坚硬、质量轻——属性,往往是相互排斥的。

“自然具有不可思议的能力能将组件可取属性合并到材料中,表现出明显比它各部分性能总和更好的性能，其是每位材料设计师灵感的来源,”Ritchie说。“特别是多孔陶瓷结构,是很多应用的理想材料，例如催化支持，组织工程、泡沫和燃料电池电极、水净化过滤器,这仅仅只是一小部分。”

人类试图通过各种技术模仿大自然的材料合成方式,迄今为止这些方式都被证明是费时的、具有尺寸限制的、昂贵的。这些技术也可能损害环境，且未能对最终结构实现足够精确控制。凝固-铸造，是用实验室冷头来创建层状冰晶作为仿生支架或复合材料模板的技术,其可以克服这些限制。然而,传统凝固-铸造本身有严重的限制,严重阻碍了用于更大应用的层状结构的放大制造。

“在传统凝固-铸造中,泥浆开始在一个温度梯度下凝固,使冰核在冷头表面随机形成,”Bai说。“因此,产生多个亚毫米尺度域,在垂直于结冰方向形成各种各样的冰晶体取向。”

为克服这一限制,Ritchie, Bai和他们的同事使用具有不同斜度的楔形聚二甲硅氧烷(PDMS)从泥浆中独立冷头。冷却时,楔形底端较上部温度更低。通过适当调整冷却速率,水平和垂直的两个温度梯度同时生成。在这种情况下,泥浆从楔子的底部到上部开始凝固，因为冰晶仅在楔子的底部成核，并在两个方向优先生长:垂直远离冷头方向及水平的沿着PDMS方向。因此，在升华和烧结后,得到是厘米级的单畴层状结构。

伯克利大学的研究人员成功地在羟基磷灰石颗粒（一种天然的钙矿物，是牙釉质及骨盐的主要组成部分）上测试了他们的双向冻结技术,作为一个概念证明,但是他们说它应该适用于很多其他的材料系统,包括陶瓷颗粒或是血小板。

“除了坡度角和冷却速率,许多其他参数,如固体负荷和各种添加剂化合物,目前正在我们实验室进行他们对双向凝固技术影响的研究，”白说。

里奇告诫说即使是在最顺利的情况下,这项新结构材料能完全实现也可能需要几十年时间。

“发展双向凝固-铸造技术的动机是已经制造有可能用于运输及发电行业的轻质结构材料,”他说。“然而,短期内由这项技术制成的材料最可能的应用将是医疗植入物,如骨/骨科植入物。我们的材料强度高,质地坚硬,结合度高，可以和骨头的力学性能紧密匹配，防止因应力屏蔽引起骨萎缩。”

新材料在线编译整理——翻译：范红娜       校正：摩天轮