人类股骨启发了一种新型水泥基建筑材料，其强度是传统混凝土的数倍。但这种仿骨骼设计之所以具有韧性，并非来自任何新型添加剂，而是源于其空心形状。
在9月10日发表于《Advanced Materials》杂志的一项研究中，普林斯顿大学的研究人员展示了如何将水泥浆塑造成空心管状结构，从而制造出比标准混凝土更不易开裂或“突然失效”的构件，其抗裂性可提高5.6倍，这对建筑业来说是一个重大问题。
“工程脆性建筑材料的一个挑战是它们会突然、灾难性地失效，”工程学博士候选人、该研究的合著者Shashank Gupta在周一发布的相关声明中表示。
他们的解决方案源自人类股骨的致密外壳，即皮质骨。在这个关键层中，大量被称为骨小管的椭圆形管状部分悬浮在有机基质中，这些骨小管又被相对较弱的界面包围，巧合地也称为“胶原线”。
研究作者写道，每当对骨骼施加应力时，这些胶原线会提供一个“微观结构上更优越的裂缝路径”，“从而引发由于胶原线-裂缝相互作用而产生的平面内裂缝偏转，绕过骨小管。”
“人们预期加入空心管会降低材料的抗裂性，”土木与环境工程助理教授、该研究的负责人Reza Moini在周一的声明中说。“我们发现，通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向，我们可以促进裂缝-管相互作用，从而在不牺牲其他性能的情况下增强一项性能。”
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利用这些特性，工程师们改进了混凝土生产模型，并测试了仿生、类似空心形状是否能提高其强度。然而，与其它混凝土变种不同的是，这种新材料不需要纤维或塑料等添加剂。相反，它们仅仅依赖于精确的几何设计。
在实验室测试中，Moini的团队发现，应力裂缝与空心管之间改进的相互作用引发了一种“分步增韧机制”。在此过程中，裂缝会被限制在管内，防止其扩散过远。当裂缝确实扩散时，能量会在每一步中消散，以减轻损伤程度。
Gupta说：“这种分步机制的独特之处在于，每一次裂缝延伸都是受控的，从而防止了突然的、灾难性的失效。而不是一次性断裂，材料能够承受渐进式损伤，使其更加坚韧。”
Gupta认为，团队“刚刚开始探索”他们这种新型仿骨骼建筑材料的“可能性”。他指出，还有许多变量需要研究，包括改变管的尺寸、方向和形状。未来，这些发现可能被应用于其他脆性工程材料，以进一步加强建筑物。
