Multiscale Toughening Mechanisms in Biological Materials and Bioinspired Designs

Advanced Materials - Tập 31 Số 43 - 2019
Wei Huang1, David Restrepo2,3, Jae‐Young Jung4, Frances Su4, Zengqian Liu5,6, Robert O. Ritchie5, Joanna McKittrick7,4, Pablo Zavattieri3, David Kisailus1,8
1Department of Chemical and Environmental Engineering, University of California, Riverside, Riverside, CA 92521, USA
2Department of Mechanical Engineering, The University of Texas at San Antonio, San Antonio, TX 78249, USA
3Lyles School of Civil Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA|
4Materials Science and Engineering Program, University of California, San Diego, La Jolla, 92093, USA
5Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, Berkeley, CA 94720, USA
6Materials Fatigue and Fracture Division, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
7Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California San Diego, La Jolla 92093, USA
8Materials Science and Engineering Program, University of California, Riverside, Riverside, CA 92521, USA

Tóm tắt

AbstractBiological materials found in Nature such as nacre and bone are well recognized as light‐weight, strong, and tough structural materials. The remarkable toughness and damage tolerance of such biological materials are conferred through hierarchical assembly of their multiscale (i.e., atomic‐ to macroscale) architectures and components. Herein, the toughening mechanisms of different organisms at multilength scales are identified and summarized: macromolecular deformation, chemical bond breakage, and biomineral crystal imperfections at the atomic scale; biopolymer fibril reconfiguration/deformation and biomineral nanoparticle/nanoplatelet/nanorod translation, and crack reorientation at the nanoscale; crack deflection and twisting by characteristic features such as tubules and lamellae at the microscale; and structure and morphology optimization at the macroscale. In addition, the actual loading conditions of the natural organisms are different, leading to energy dissipation occurring at different time scales. These toughening mechanisms are further illustrated by comparing the experimental results with computational modeling. Modeling methods at different length and time scales are reviewed. Examples of biomimetic designs that realize the multiscale toughening mechanisms in engineering materials are introduced. Indeed, there is still plenty of room mimicking the strong and tough biological designs at the multilength and time scale in Nature.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

10.1126/science.1220854

10.1016/j.pmatsci.2012.03.001

10.1038/nmat3115

10.1016/j.msec.2010.01.011

10.1080/14786430410001680935

10.1038/nmat4089

10.1098/rspa.1995.0075

10.1007/s11837-013-0570-y

Yaraghi N. A., 2019, Adv. Funct. Mater.

10.1016/j.pmatsci.2007.05.002

10.1002/adma.200803322

10.1038/nmat832

10.1016/j.biomaterials.2004.02.017

10.1007/s11340-007-9040-1

10.1016/S1369-7021(10)70016-X

10.1016/j.jmps.2016.08.001

10.1016/j.jmbbm.2017.05.033

10.1016/j.jmps.2012.03.002

10.1016/j.jmbbm.2009.04.003

10.1007/s10704-013-9890-8

10.1126/science.1164865

10.1038/ncomms9643

10.1002/adfm.201300215

10.1002/adma.201504313

10.1016/j.msec.2010.10.017

10.1002/9780470172278

10.1126/science.1218764

10.1038/nmat4309

10.1016/j.actbio.2017.09.043

10.1016/8756-3282(89)90055-0

10.1016/j.biomaterials.2014.03.066

10.1002/adma.201800940

10.1146/annurev-physchem-040215-112621

10.1007/978-0-387-73906-9_1

10.1016/j.jmbbm.2015.05.023

10.1016/j.pmatsci.2019.01.002

10.1088/0957-4484/18/29/295102

10.1061/(ASCE)NM.2153-5477.0000035

10.1002/ange.201008118

10.1126/science.7695699

10.1002/bip.1968.360061109

10.1006/jsbi.1998.3966

10.1038/414773a

10.1016/j.bone.2014.07.035

10.1529/biophysj.105.069344

10.1038/nmat1428

10.1007/s11837-012-0302-8

10.1016/j.pmatsci.2015.06.001

10.1016/j.jsb.2017.04.001

10.1038/srep26393

10.1016/j.biomaterials.2015.06.032

10.1007/BF01233138

10.1016/j.actbio.2009.06.033

10.1016/j.actbio.2016.10.033

10.1002/adfm.201901077

10.1177/004051759406401206

10.1016/j.msec.2016.12.008

10.1177/004051756903901204

10.1016/j.progpolymsci.2006.06.001

Dutta P. K., 2004, J. Sci. Ind. Res., 63, 20

10.1002/adma.200801219

10.1016/j.asd.2004.05.006

10.1016/j.carbpol.2017.08.076

10.1016/j.actbio.2015.06.034

10.1016/j.jmbbm.2010.09.015

10.1021/jp200912q

10.1016/S1359-0294(03)00011-6

10.1023/A:1018431705579

10.1021/bm200253h

10.1021/ja0257319

10.1073/pnas.1502870112

10.1038/nmat3920

10.1038/ncomms7216

10.1038/ncomms10772

10.1038/srep00148

10.1016/j.pmatsci.2009.05.001

10.1111/j.1551-2916.2008.02624.x

10.1126/science.1080819

10.1111/j.1151-2916.1994.tb07006.x

10.1039/C5TB00673B

10.1038/s41598-018-31983-5

10.1088/1748-6041/6/4/045005

10.1016/j.jmbbm.2010.11.001

10.1016/j.scriptamat.2007.04.027

10.1016/j.actbio.2009.02.009

10.1002/adfm.201202894

10.1098/rsif.2014.1326

10.1126/science.1112255

10.1007/978-1-4020-9212-1_31

10.2138/am-1998-11-1228

10.1016/j.actbio.2015.07.028

10.2138/am-2018-6429

10.1038/nchem.899

Ehrlich H., 2008, J. Nanomater., 2008, 54

10.1073/pnas.95.11.6234

10.1002/anie.200905028

10.1080/00206811003679521

10.1557/jmr.2006.0251

10.1002/adfm.201504891

10.1021/cm9026607

10.1002/adfm.201100749

10.1038/ncomms7649

10.1016/j.actbio.2012.12.026

10.1002/adfm.201804237

10.1016/j.jmbbm.2013.03.020

10.1016/j.bone.2009.02.009

10.1038/ncomms3634

10.1098/rsif.2010.0413

10.1242/jeb.202.4.377

10.1242/jeb.200.11.1639

10.1111/j.1469-7998.1987.tb03730.x

a)P.Fratzl inLearning from Nature How to Design New Implantable Biomaterialsis: From Biomineralization Fundamentals to Biomimetic Materials and Processing Routes(Proceedings of the NATO Advanced Study Institute held in Alvor Algarve Portugal 13–24 October 2003) (Eds.:R. L.Reis S.Weiner) Springer2005 pp.15–34;

10.1038/nmat1019

10.1016/j.pmatsci.2007.06.001

10.1039/C7NR02139A

10.1002/adma.201502403

10.1002/adma.201600786

10.1557/JMR.2008.0389

10.1021/nl061775u

10.1016/S1359-6454(99)00443-7

10.1038/ncomms1172

10.1126/science.1116994

10.1002/adfm.201401091

10.1016/j.biomaterials.2009.04.017

10.1016/j.actbio.2012.09.020

10.1038/nmat2221

10.1016/j.actbio.2009.11.026

10.1016/j.actbio.2008.09.011

10.1016/j.msec.2011.03.002

10.1007/s11837-010-0009-7

10.1098/rspb.2010.0399

Wang B., 2018, Adv. Mater., 1804574

10.1016/j.actbio.2016.05.028

10.1002/adma.200602394

10.1016/j.actbio.2006.09.008

10.1016/j.msea.2004.06.072

10.1016/j.jmbbm.2017.06.009

10.1016/j.actbio.2016.03.030

10.1002/jbm.a.10541

a) Parts of a tooth including the enamel (cross section) https://en.wikipedia.org/wiki/Tooth_enamel#/media/File:Blausen_0863_ToothAnatomy_02.png(accessed: June 2019);

10.1038/nmat1323

10.1016/j.actbio.2015.05.024

10.1016/j.actbio.2012.12.023

10.1088/2057-1976/aa777e

10.1016/j.actbio.2016.08.019

10.1002/adma.201705295

10.1016/j.jsb.2011.12.019

10.1016/j.actbio.2017.01.026

10.1016/j.actbio.2013.02.045

10.1126/science.aaa6683

10.1017/CBO9781139003582

Yip S., 2007, Handbook of Materials Modeling

10.1016/j.pmatsci.2008.06.002

10.1007/978-0-387-76426-9

10.1038/ncomms2720

10.1073/pnas.0603216103

10.1557/jmr.2006.0236

10.1016/j.jmbbm.2007.04.001

10.1063/1.3385388

10.1098/rsif.2010.0149

10.1021/nl101341w

10.1002/adma.200902019

10.1016/j.finel.2011.02.014

10.1007/s10237-010-0222-x

10.1016/j.jbiomech.2009.02.014

10.1016/j.jmps.2018.12.002

10.1016/j.jmbbm.2010.11.006

10.1016/j.jmbbm.2015.03.026

10.1016/j.jmps.2015.06.015

10.1016/j.jmps.2014.08.011

10.1016/j.jmbbm.2017.06.010

10.1016/j.ijsolstr.2018.06.004

10.1002/adma.201802123

10.1016/j.jmps.2017.11.003

10.1016/j.jmps.2018.10.012

10.1016/j.jmps.2014.08.008

10.1007/s10704-006-7156-4

10.1002/adma.201201471

10.1002/smll.201400559

10.1098/rsif.2007.0218

10.1002/adma.201705220

10.1126/science.1120937

10.1021/la404426d

10.1021/cm702028z

10.1016/j.actamat.2006.11.003

10.1016/j.actamat.2009.03.003

10.1038/nmat3915

10.1098/rsif.2009.0331

10.1016/j.actamat.2013.08.006

10.1002/adfm.201302958

10.1111/j.1551-2916.2009.03087.x

10.1016/j.actbio.2013.01.012

10.1016/j.pmatsci.2018.01.001

10.1016/j.actamat.2015.07.022

Zhang M., 2019, ACS Appl. Nano Mater.

10.1016/j.matdes.2016.06.008

10.1557/JMR.2003.0239

10.1021/acsnano.5b00119

10.1016/j.actamat.2005.05.027

10.1016/j.msea.2012.07.058

10.1016/j.msec.2017.03.246

10.1016/j.compstruct.2014.08.033

10.1016/j.ceramint.2015.03.069

10.1111/j.1551-2916.2009.03110.x

10.1016/j.jeurceramsoc.2011.12.031

10.1016/j.matdes.2018.107561

10.1021/cm4025827

10.1088/1748-6041/3/2/025005

10.1557/adv.2018.57

10.1016/j.jmbbm.2018.09.012

10.1016/j.msec.2015.12.012

10.1557/jmr.2013.105

10.1002/adem.200700270

10.1038/nature07766

10.1126/science.1210822

10.1002/adma.201605039

10.1039/C5CS00836K

10.1038/nmat4419

10.1002/adfm.201601719

10.1016/j.precisioneng.2017.05.015

10.1016/j.ijengsci.2017.11.011

10.1557/mrs.2015.235

10.1016/j.progpolymsci.2011.11.007

Frank M. B., 2016, J. Visualized Exp., 110, e53554

10.1002/adts.201800152

10.1039/C4SM02907K

10.1016/j.actbio.2017.03.025

10.1002/adem.201600143

10.1016/j.eml.2016.09.006

10.1016/j.jmbbm.2017.05.007

10.1002/adma.201700060

10.1038/ncomms9641

10.1038/nature21003

10.1088/1748-3190/10/2/026005

10.1038/ncomms4166

10.1016/j.actbio.2018.05.012

10.1016/j.ijsolstr.2016.07.010

10.1016/j.actbio.2014.03.022

10.1088/1748-3182/6/1/016003

10.1016/j.actbio.2009.04.030

10.1002/jbm.a.10548

10.1038/srep21072

10.1016/j.commatsci.2015.06.040

10.1007/s11837-013-0606-3

Gibson L. J., 1999, Cellular Solids: Structure and Properties

Wei H., 2019, Acta Biomater.