嚴(yán)重的地震、颶風(fēng)等自然災(zāi)害可造成建筑物的倒塌，其主要原因是，建筑水泥的抗損傷能力不夠。近期，美國研發(fā)出一種仿生水泥，比普通水泥的抗損傷能力高出5倍。
美國普林斯頓大學(xué)（Princeton University）土木與環(huán)境系研究人員受人體皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開發(fā)了一種仿生水泥材料，比傳統(tǒng)水泥更不容易出現(xiàn)裂縫或突然失效，其抗損傷能力是標(biāo)準(zhǔn)水泥材料的5.6倍。
皮質(zhì)骨（cortical bone），又稱密質(zhì)骨（compact bone），是形成骨骼的兩種骨組織之一。皮質(zhì)骨提供骨骼的一些主要功能，例如支撐身體、保護(hù)器官以及釋放以鈣為主的化學(xué)成分。皮質(zhì)骨形成了大多數(shù)骨頭的皮質(zhì)，同時也比松質(zhì)骨（cancellous bone）更為緊密堅硬。人體骨骼有80%重量是皮質(zhì)骨。
皮質(zhì)骨擁有致密外殼可提供強度抵抗骨折，它由致密的管狀骨組成，內(nèi)部含有多個管狀小孔，下方則有大量互連接的網(wǎng)絡(luò)通道。
研究人員發(fā)現(xiàn)，皮質(zhì)骨雖然有脆弱的地方讓裂紋快速擴(kuò)展，但它可以通過內(nèi)外機制（大量網(wǎng)絡(luò)通道）表現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性，還能防止（干涉）骨頭的裂縫出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展（裂縫延遲擴(kuò)展）。
利用這一結(jié)構(gòu)原理，他們利用混合3D列印和鑄造方法制作出了類皮質(zhì)骨的仿生水泥。
他們在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形的管（孔隙率40%），使其與擴(kuò)散的裂縫相互作用，然后進(jìn)行壓力和拉力測試。結(jié)果顯示，有橢圓形和圓形孔洞的水泥的斷裂韌性，比普通水泥高出3.1倍和5.6倍，遠(yuǎn)超過去在水泥中摻雜纖維、砂漿和韌性膏體的性能。
除此之外，研究人員找到一種量化無序的新方法，可以用于量化無序的建筑材料，以便了解影響材質(zhì)的應(yīng)力、脆性和延展性的主要原因，并從中開發(fā)更多、更好的新型材料，以增強建筑的性能，解決傳統(tǒng)材料存在斷裂韌性不足的問題。
普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境系副教授雷薩?莫伊尼（Reza Moini）對該校的新聞室表示，“人們預(yù)計使用空心管時，材料的抗裂能力會降低，但我們了解到通過利用管的幾何形狀、尺寸、形狀和方向，可以促進(jìn)裂紋與管的相互作用，且在不犧牲另一種特性的情況下增強另一種特性?！?
莫伊尼接著說，“我們透過斷裂力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)的原理，達(dá)到改善材料的基本性能，同時透過統(tǒng)計學(xué)將不規(guī)則材料或擾動進(jìn)行量化，讓原本無序的材料變得可以客制化。這種客制化幫助我們更方便對材料進(jìn)行設(shè)計，并將其用于制造民用基礎(chǔ)設(shè)施上?！?
