A bioinspired surface tension-driven route toward programmed cellular ceramics

陶瓷 纳米技术 材料科学 表面张力 张力(地质) 计算机科学 复合材料 热力学 极限抗拉强度 物理
作者
Ying Hong,Shiyuan Liu,Xiaodan Yang,Hong Wang,Shan Yao,Biao Wang,Zhuomin Zhang,Xiaodong Yan,Weikang Lin,Xuemu Li,Zehua Peng,Xiaote Xu,Zhengbao Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 5030-5030 被引量:28
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49345-3
摘要

The intriguing biomineralization process in nature endows the mineralized biological materials with intricate microarchitected structures in a facile and orderly way, which provides an inspiration for processing ceramics. Here, we propose a simple and efficient manufacturing process to fabricate cellular ceramics in programmed cell-based 3D configurations, inspired by the biomineralization process of the diatom frustule. Our approach separates the ingredient synthesis from architecture building, enabling the programmable manufacturing of cellular ceramics with various cell sizes, geometries, densities, metastructures, and constituent elements. Our approach exploits surface tension to capture precursor solutions in the architected cellular lattices, allowing us to control the liquid geometry and manufacture cellular ceramics with high precision. We investigate the geometry parameters for the architected lattices assembled by unit cells and unit columns, both theoretically and experimentally, to guide the 3D fluid interface creation in arranged configurations. We manufacture a series of globally cellular and locally compact piezoceramics, obtaining an enhanced piezoelectric constant and a designed piezoelectric anisotropy. This bioinspired, surface tension-assisted approach has the potential to revolutionize the design and processing of multifarious ceramic materials for structural and functional applications in energy, electronics and biomedicine.
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