Ling Li har en lektion i en av sina kurser i maskinteknik om hur spröda material som kalciumkarbonat beter sig under stress. I det, han tar en bit krita som består av blandningen och knäpper den på mitten för att visa sina elever kanten på en av de trasiga bitarna. Avbrottet är trubbigt och rakt.

Sedan, han vrider en andra bit, vilket resulterar i skarpare skärvor som bryts i en 45-graders vinkel, indikerar den farligare riktningen för dragspänningen på krita. Den trasiga kritan hjälper Li att visa vad skört kalciumkarbonat kommer att göra under normala krafter:det tenderar att spricka.

"Om du böjer den, det kommer att gå sönder, " sa Li.

I Lis laboratorium för biologiska och bioinspirerade material, många av de havsdjur han studerar för deras biologiska strukturmaterial har delar gjorda av kalciumkarbonat. Vissa mollusker använder det i fotoniska kristaller som skapar en livfull färgskärm, "som en fjärils vingar, " sa Li. Andra har mineralögon byggda med det, in i sina skal. Ju mer Li studerar dessa djur, ju mer han förvånas över användningen av deras kroppar för i sig självt sprött och ömtåligt material. Speciellt när användningen trotsar den skörheten.

I en studie publicerad av Proceedings of the National Academy of Sciences , Lis forskargrupp fokuserade på bläckfisken, ännu en av dessa uppfinningsrika, kritbyggda djur och en resenär på havets djup. Forskarna undersökte den interna mikrostrukturen hos cuttlebone, blötdjurets mycket porösa inre skal, och fann att mikrostrukturens unika, kammare "wall-septa" design optimerar cuttlebone för att vara extremt lätt, styv, och skadetolerant. Deras studie går in på de underliggande materialdesignstrategierna som ger cuttlebone dessa högpresterande mekaniska egenskaper, trots skalets sammansättning mestadels av spröd aragonit, en kristallform av kalciumkarbonat.

I havet, bläckfisken använder bläckfisk som en hård flyttank för att kontrollera sin rörelse upp och ner i vattenpelaren, till så låga djup som 600 meter. Djuret justerar förhållandet mellan gas och vatten i den tanken för att flyta upp eller sjunka ner. För att tjäna detta syfte, skalet måste vara lätt och poröst för aktivt vätskeutbyte, men ändå styv nog för att skydda bläckfiskens kropp från starkt vattentryck när den dyker djupare. När bläckbenet krossas av tryck eller av ett rovdjurs bett, den måste kunna ta upp mycket energi. På det sättet, skadan stannar i ett lokaliserat område av skalet, snarare än att krossa hela cuttlebone.

Behovet av att balansera alla dessa funktioner är det som gör cuttlebone så unikt, Lis team upptäckte, när de undersökte skalets inre mikrostruktur.

Ph.D. student och studiemedförfattare Ting Yang använde synkrotronbaserad mikrodatortomografi för att karakterisera cuttlebone-mikrostruktur i 3-D, penetrerar skalet med en kraftfull röntgenstråle från Argonne National Laboratory för att producera högupplösta bilder. Hon och teamet observerade vad som hände med skalets mikrostruktur när det komprimerades genom att tillämpa in-situ tomografimetoden under mekaniska tester. Genom att kombinera dessa steg med digital bildkorrelation, som gör det möjligt att jämföra bildruta för bildruta, de studerade cuttlebones fullständiga deformations- och frakturprocesser under belastning.

Deras experiment avslöjade mer om cuttlebone's chambered 'wall-septa' mikrostruktur och dess design för optimerad vikt, styvhet, och skadetolerans.

Designen separerar cuttlebone i individuella kammare med golv och tak, eller "septa, " stödd av vertikala "väggar." Andra djur, som fåglar, har en liknande struktur, känd som en sandwichstruktur. Med ett lager av tätt ben ovanpå en annan och vertikala stöttor emellan för stöd, strukturen görs lätt och styv. Till skillnad från smörgåsstrukturen, dock, cuttlebones mikrostruktur har flera lager - dessa kamrar - och de stöds av vågiga väggar istället för raka stag. Vågigheten ökar längs varje vägg från golv till tak i en "våggradient".

"Den exakta morfologin har vi inte sett, åtminstone i andra modeller, " sa Li om designen. Denna vägg-septa design ger cuttlebone kontroll över var och hur skada uppstår i skalet. Det möjliggör graciösa, snarare än katastrofalt, fel:vid komprimering, kammare misslyckas en efter en, progressivt snarare än omedelbart.

Forskarna fann att cuttlebones vågiga väggar inducerar eller kontrollerar frakturer att bildas i mitten av väggarna, snarare än vid golv eller tak, vilket skulle få hela strukturen att kollapsa. När en kammare genomgår väggbrott och efterföljande förtätning - där de brutna väggarna gradvis kompakteras i den skadade kammaren - förblir den intilliggande kammaren intakt tills spruckna delar penetrerar dess golv och tak. Under denna process, en betydande mängd mekanisk energi kan absorberas, Li förklarade, begränsa extern påverkan.

Lis team undersökte vidare den högpresterande potentialen hos cuttlebones mikrostruktur med beräkningsmodellering. Med hjälp av mätningar av mikrostrukturen gjorda med den tidigare 3D-tomografin, postdoktorn Zian Jia byggde en parametrisk modell, körde virtuella tester som ändrade vågigheten på strukturens väggar, och observerade hur skalet fungerade som ett resultat.

"Vi vet att cuttlebone har dessa vågiga väggar med en gradient, " Sa Li. "Zian ändrade gradienten så att vi kunde lära oss hur cuttlebone betedde sig om vi gick bortom denna morfologi. Är det bättre, eller inte? Vi visar att cuttlebone sitter på en optimal plats. Om vågorna blir för stora, strukturen är mindre styv. Om vågorna blir mindre, strukturen blir sprödare. Cuttlebone verkar ha hittat en söt plats, för att balansera styvheten och energiabsorptionen."

Li ser tillämpningar för cuttlebones mikrostrukturella design i keramiska skum. Bland skum som används för krossmotstånd eller energiabsorption i förpackningar, transport, och infrastruktur, polymer- och metallmaterial är de mer populära valen. Keramiska skum används sällan eftersom de är sköra, sa Li. Men keramik har sina egna unika fördelar - de är mer kemiskt stabila och har en hög smälttemperatur.

Om cuttlebones egenskaper kunde appliceras på keramiska skum, deras förmåga att motstå hög värme i kombination med nyvunnen skadetolerans kan göra keramiska skum idealiska för användning som termiska skyddsenheter i rymdfärjor eller som allmänt termiskt skydd, Li tror. Hans team har utvärderat den ansökan i en separat studie.

Även om teamet redan har börjat titta upp från havet till himlen på de möjligheter som cuttlebone inspirerar, deras studie av skalets grundläggande designstrategier är lika viktigt för Li.

"Naturen gör många strukturella material, "Li sa. "Dessa material är gjorda vid rumstemperatur och regelbundet atmosfärstryck, till skillnad från metaller, som kan vara skadligt för miljön att producera — du måste använda höga temperaturer och brytningsprocesser för metaller.

"Vi är fascinerade av sådana skillnader mellan biologiska strukturella material och konstruerade strukturella material. Kan vi överbrygga dessa två och ge insikter i att göra nya strukturella material?"