本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
用锯开的硅藻壳制成的梁柱，并用金刚石探针戳刺直至破裂，结果表明，这种微生物装甲具有已知生物材料中最高的强度重量比。据进行这项研究的科学家称，这种材料非凡的韧性可能归因于其蜂窝状结构和完美的二氧化硅构造。
硅藻是单细胞浮游植物，或海洋藻类。 它们的形状和颜色种类繁多，深受作者喜爱。
作者：Wipeter - 自己的作品, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5682386
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科学家们研究了Coscinodiscus（一种汉堡形状的硅藻）的壳——称为硅藻壳。 与所有硅藻一样，它带有两个硅藻壳，它们像培养皿的两半一样结合在一起。 壳上有孔。 这是从上方看的视图
作者：Geographer - 自己的作品, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=43213425
这是对微观结构的更近距离观察
（A）壳的示意图 （B）壳的横截面，显示蜂窝状结构和带边缘的硅藻壳 （C）壳的外表面，显示排列成超六边形的孔的六边形 （D）壳的内层，每个细胞显示一个孔。 图1 来自 Aitken et al. 2016.
较小的椭圆形孔以六个一组刺穿壳的外部，这些组本身排列成六边形。 硅藻壳内部排列着较大的孔，称为孔口（单数：孔口），周围环绕着加强的边缘。 在内外壁之间是蜂窝状的细胞，具有五个或六个侧壁，每个侧壁上有一个孔口。 壳的所有部分均由光滑且明显完美的无定形二氧化硅制成——即玻璃。
硅藻壳有许多用途：营养物质的通道、浮力控制、塑造壳周围的水流，当然还有保护免受捕食者和病毒的侵害。 所有这些力量都在竞争以塑造壳的结构。 在捕食性更强的环境中生长的硅藻壳往往更加坚固。 另一方面，密度更高的壳也可能导致硅藻下沉到太暗而无法进行光合作用的水域，并损害或阻止气体、食物和废物的交换，这对硅藻和我们同样重要。 硅藻壳上有可能实现这些目的的孔，但到目前为止尚不清楚的是，这些孔在多大程度上影响了壳的强度、与环境交换的需要，或两者兼而有之。 这组科学家着手测试它们的影响——以及壳的其余结构——对强度的影响。
正如您可以想象的那样，对以微米为单位测量的结构进行强度测试是一项精细的工作。 传统的机械测试方法无法使用，而且迄今为止进行的测试结果差异很大。 这可能是因为科学家们对完整的壳进行了这些测试，而完整的壳具有所有不规则性。
在这项实验中，来自加州理工学院和挪威科技大学的科学家通过制造自己的硅藻梁柱，解决了测试光滑且凹凸不平的壳所引起的一些问题——对我来说，这几乎和发现梁柱的强度一样非凡。 他们在扫描电子显微镜内使用聚焦离子束从硅藻壳上切割出一块薄片，并在三侧进行切割，然后用铂珠将钨针固定到梁柱上。 然后他们铣削掉第四侧，然后用钨针将其从原位抬起。 然后他们可以将其沉积在他们希望的任何地方。 在三点弯曲实验中，那个地方悬挂在一个尺寸为 20 x 20 x 40 微米的井上方。 成品梁柱看起来就像屋顶或墙壁梁，但由硅藻制成，而且非常非常小。
硅藻梁柱的诞生过程，以及用于强度测试的放置梁柱的井。 图 S4（重新排列）来自 Aitken et al. 2016.
然后，他们使用与混凝土或钢梁相同的实验——三点弯曲实验——测试了这些梁柱。 这是在我们尺度上完成的一个实验
作者：Rama - 自己的作品, CC BY-SA 2.0 fr, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=863335
在这项实验中，科学家们在配备了“纳米压痕仪”（即微型探针）的扫描电子显微镜中测试了他们的梁柱。
对硅藻壳梁柱进行三点弯曲实验。 梁柱被转动，使壳的内侧面向我们。 图 3A 来自 Aitken et al. 2016.
纳米压痕仪以稳定增加的压力向下推梁柱。 当梁柱最终断裂时，它以极快的速度弹射到空中，超过了 SEM 的图像扫描速率——因此实际上看不到断裂。 大多数断裂的样品都简单地消失在周围（相对）空旷的空间中。
科学家们确实设法找到了一根断裂梁柱的一半，并在 SEM 下拍摄了照片，以确切了解它的断裂方式和位置。 硅藻壳外表面的孔似乎吸引了裂缝——或者至少没有阻止其路径——而梁柱另一侧的裂缝明显地绕着一个孔口传播。
（a）样品一侧显示的裂缝路径 和（b）另一侧的路径，从断裂后回收的 1/2 梁柱推断而出（插图，从两个角度显示）。 图 4 来自 Aitken et al. 2016.
因此，作者认为，基板中的孔口可以强化壳，而外表面的孔则用于引导资源。
根据对平均失效应力和应变以及样品密度的测量，科学家们能够计算出梁柱的比强度，即强度重量比。 该值——1702 kNm/kg——“远高于”包括竹子、软体动物壳和蜘蛛丝在内的其他天然材料的值。
天然材料的强度密度比。 图 5 来自 Aitken et al. 2016.
因此，硅藻壳在生物材料强度重量比图中占据了新的位置，实现了与丝绸和其他天然聚合物相当的强度，但密度更低。 科学家们将这一壮举归因于它们的蜂窝状内部结构和二氧化硅的完美性——在低至两纳米的分辨率下未检测到缺陷。
这并不是说没有已知的物质超过这种比强度——有很多物质超过了，但它们都是人造的。 凯夫拉尔就是这样一种物质，另一种是高纯度二氧化硅纳米线，顾名思义，它由纯二氧化硅制成。 相比之下，硅藻壳实际上是由二氧化硅和用于构建它们的有机支架组成的复合材料。 例如，Coscinodiscus似乎使用长链聚合物来“絮凝”（组装）二氧化硅颗粒，在壳的制造过程中。
这些有机支架似乎在项目完成后仍留在壳壁内。 科学家用来去除细胞内容的清洁程序不会清除它们，因此它们可能与二氧化硅化学结合。 它们的持久性得到了以下事实的证明：从从近 8000 年前的南大洋沉积物岩芯中提取的硅藻壁中回收了此类聚合物。
然而，支架聚合物和二氧化硅之间的键据推测是由氢键组成的，正如每个高中化学学生都知道的那样，氢键相对于共价键而言较弱——共价键是连接二氧化硅的类型。 因此，当硅藻壳受到压力时，很可能沿着二氧化硅及其有机支架之间的氢键边界发生破裂——这是二氧化硅纳米线所缺乏的“缺陷”。
参考文献
Aitken, Zachary H., Shi Luo, Stephanie N. Reynolds, Christian Thaulow, 和 Julia R. Greer. "微观结构提供了对 Coscinodiscus sp. 硅藻壳进化设计和弹性的见解." 美国国家科学院院刊 113, no. 8 (2016): 2017-2022.