石墨烯是上世纪发现的著名二维材料，此后又发现了一维的碳纳米管，这些低维碳基材料具有独特的性质，包括高导电性、高机械强度和高导热系数等，在传感器、CMOS和其他纳米领域具有应用潜力。但这类材料固有的低拉伸性和低维特征，则妨碍了其大规模的应用。通过引入合理的设计，可以将材料单元组装成纳米到宏观尺度的超材料，例如具有3D纳米结构的热解碳、石墨烯泡沫和碳纳米管桁架等。在超材料的结构设计上，经过长期自然选择的生物材料因其卓越的机械性能和独特的功能特性而启发了众多研究者，典型生物材料包含的设计元素包括细胞、梯度、螺旋、纤维、分层、管状、重叠和缝合等。这些独特的结构能赋予超材料额外的特性，例如孔隙率、吸能性能、韧性、抗穿刺和抗张强度等。
近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh团队在Small Science上发表了观点文章，介绍了由低维纳米材料组成的仿生结构超材料，并比较分析了各类纳米结构设计的力学性能及破坏变形机制。
在本工作中，作者首先介绍了所使用的建模方法，其中源自模拟均采用大规模原子分子并行模拟器进行，并利用开放式可视化工具来观察原子结构的改变；对碳基超材料，则构建了等效的有限元模型，以仿真研究这些模型在固体力学框架下的准静态拉伸行为。
接下来，研究团队对多种受自然启发的碳基超材料进行了评估与分析，包括蜂窝、梯度、管状、纤维、螺旋、分层和缝合启发的材料结构。从分子动力学和有限元分析的结果中，可以得到关于结构参数与机械性能-变形之间的关系，例如在分层结构中，层数的增加有利于提高材料的刚度。
作者表示，通过定制化的仿生几何结构，可以赋予碳基超材料多种机械性能的组合，包括刚度、强度、失效应变和SEA。通过对多种仿生结构的研究，发现在四种力学性能中失效应变（即拉伸性）的改善最为显著。如果将拉伸主导的架构作为材料单元（而非采用蜂窝状的六边形），则能以拉伸性为代价来增加蜂窝状超材料的刚度，例如基于碳纳米管的面心立方体超材料可具有非常高的强度，但拉伸性非常有限。此外，还可以精细调控碳基超材料中裂纹成核和扩展路径，从而提高材料的拉伸性能，或改变破坏的模式，例如分层构型可以使石墨烯具有较长时间的裂纹扩展。
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