从虾到钢：引入受自然启发的金属加工工艺

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人类长期以来一直向大自然寻求解决方案，从破解飞行之谜到制造更坚固的材料。对于新加坡科技设计大学 (SUTD) 副教授 Javier Fernandez 来说，大自然是可持续发展的蓝图。他观察到：“与我们社会的能源密集型工程不同，大自然在稀缺的模式下运作，无需获取密集能源或运输材料即可找到解决方案。”
几丁质是一种值得深入研究的有机材料，在自然界中随处可见，从虾到贝壳和蘑菇。几丁质不仅是地球上第二丰富的有机材料，而且坚固而轻便，是许多工程应用的理想材料。
“几丁质对金属也有很强的亲和力，”费尔南德斯副教授说。“我们决定评估这种亲和力，结合角质层的形成过程，是否能以‘生物学’的方式用于生产功能性金属结构。”
在自然界中，金属虽然很少使用，但可以在一些几丁质结构中找到，例如昆虫和甲壳类动物的表皮和外骨骼。通过深入研究几丁质及其衍生物对金属的亲和力，费尔南德斯和他的团队设计了一种新的金属加工方法，他们在《先进功能材料》杂志上发表了一篇论文《基于几丁质胶体和复合材料的生物金属加工方法》。
通过利用受这些几丁质化合物启发的设计和技术，研究小组展示了一种无需通常的能源成本即可生产功能性金属结构的新方法。
在传统的金属加工中，高温和高压对于熔化和塑造金属至关重要。这与自然界中金属在常温条件下与几丁质材料结合的方式形成了鲜明对比。
以节肢动物角质层（如蟹壳）中发现的金属化合物为例。通常，金属只会在几丁质发育的后期才会进入蟹壳——几丁质会先通过鞣制和脱水变硬，形成一个壳，然后环境中的任何金属才会加入其中。
这与研究人员在实验中发现的将金属化合物引入壳聚糖（几丁质的衍生物）的方法类似。他们只需在不同金属颗粒之间引入极少量的壳聚糖和水，就能在标准温度和压力下形成固体金属复合材料。
当水分蒸发时，壳聚糖分子会重复角质层中的固结过程，以极强的强度将颗粒拉到一起，形成含有 99.5% 金属的连续固体。
费尔南德斯将这一制造过程比作混凝土的形成，他解释说：“通过将金属颗粒倒入溶解的壳聚糖中并让它们‘干燥’，我们可以形成大量金属部件，而不受熔化的限制。”
虽然这些壳聚糖复合材料的物理强度不高，但研究人员发现，这种材料具有良好的导电性，可以进行 3D 打印。同时，尽管只含有少量的壳聚糖，这种材料仍然与其他生物材料具有相容性。这为将这些壳聚糖特性引入其他生物材料（如木材和纤维素）开辟了可能性。
费尔南德斯认为，这项技术创造了一种新的金属加工模式。尽管机械强度不足，但制造的生物材料适用于非承重金属部件，例如电气部件或电池电极。现在无需耗费大量资源即可完成某些部件的金属加工。
他强调说：“这项技术并不会取代传统方法，而是可以实现新的互补生产方法。”
此后，费尔南德斯的团队成功为该创新制造方法申请了专利，目前正在研究设计一种新技术来开发可生物降解的 3D 电子元件，这可以为更高效和可持续的生产方法铺平道路。
更多信息： Shiwei Ng 等人，基于几丁质胶体和复合材料的金属加工生物学方法，先进功能材料(2024)。DOI ：10.1002/adfm.202406800
期刊信息： 先进功能材料