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我國科學(xué)家揭示河蚌鉸鏈耐疲勞的奧秘，并填補國際耐疲勞材料設(shè)計空白
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2023-06-27 15:22:39
6月23日，《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊聯(lián)合吳恒安教授團隊的研究成果。他們揭示了河蚌鉸鏈耐疲勞的奧秘，并提出了一種耐疲勞材料設(shè)計的新思路。同期《科學(xué)》雜志觀點欄目以“一種可彎曲的生物陶瓷”為題發(fā)表了評述。



為什么要探索耐疲勞材料？



脆性材料作為結(jié)構(gòu)或功能部件被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子器件和組織工程等領(lǐng)域。由于人工脆性材料對微裂紋和不易察覺的缺陷很敏感，在長時間的循環(huán)載荷作用下，材料很容易累積損傷產(chǎn)生疲勞裂紋，進而存在失效的風(fēng)險。隨著可折疊穿戴設(shè)備的發(fā)展，對具有高疲勞抗性的可變形功能材料的需求日益凸顯。尋找并開發(fā)新的耐疲勞結(jié)構(gòu)模型對未來可變形功能材料的設(shè)計制備具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。



隨著近年來小型智能化可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢。可以說，柔性性能是未來產(chǎn)品開發(fā)的重要方向之一，折疊屏手機已經(jīng)逐漸融入我們的日常生活。不過，要想真正實現(xiàn)可靠的柔性性能，目前還存在亟須解決的問題。而這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，對于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創(chuàng)制具有普遍指導(dǎo)意義。



什么是河蚌，它們的常見特征有什么？



提到河蚌，人們第一時間想到的是它會產(chǎn)珍珠，河蚌肉可以食用。而在科學(xué)家眼里，它還是一種極佳的研究對象，能為新材料的研制提供源源不斷的靈感。



河蚌，是一種生活在淡水中的軟體動物。它們的體形大約與一只人的手掌相當(dāng)，通常呈橢圓形，有一個黑色的外殼，可以在水里緩慢地扭動并前進。河蚌的營養(yǎng)來源于過濾水中的浮游生物，而且它們的肉質(zhì)也是中國南方有名的美食之一。



河蚌的鉸鏈結(jié)構(gòu)又是什么呢？



人們或許并不知道，河蚌軀干內(nèi)部有一個由兩個部分組成的構(gòu)造，它們之間有著鉸鏈?zhǔn)降倪B接點。離開水中后，這個連接點就會擴張并暴露出來，在危險的情況下，它們可以利用這個構(gòu)造把面對著的殼門瞬間閉合，保護自己免于戰(zhàn)斗或捕食。



科學(xué)家們對河蚌的這個鉸鏈結(jié)構(gòu)進行了深入研究，他們發(fā)現(xiàn)這個鉸鏈結(jié)構(gòu)竟然有極佳的耐疲勞特性，可以重復(fù)折疊數(shù)百萬次而不失效。這個特性在河蚌生活環(huán)境中非常有意義，可以幫助它們長時間地使用這個對生存很重要的構(gòu)造，而不失效。



填補國際耐疲勞材料設(shè)計空白



“鉸鏈部位真的很神奇”。論文共同通訊作者之一、中國科大副研究員茅瓅波向《中國科學(xué)報》介紹，“鉸鏈部位包含一個折扇形礦物區(qū)域，這個區(qū)域含有大量的碳酸鈣礦物。外殼在開合過程中，鉸鏈整體會發(fā)生較大的變形，而脆性的碳酸鈣并不能承受大變形。河蚌是如何協(xié)調(diào)這個矛盾的呢？”事實上，這也正是目前含脆性功能組元的人工復(fù)合材料所面臨的“痛點”：在長時間的循環(huán)載荷作用下，材料很容易累積損傷產(chǎn)生疲勞裂紋。一旦裂紋開始擴展，就會對器件的性能產(chǎn)生不可逆的影響。



因此，科學(xué)家們亟需尋找到一種新的耐疲勞結(jié)構(gòu)材料設(shè)計思路。此次研究中，在俞書宏的指導(dǎo)下，論文第一作者、中國科大博士生孟祥森，茅瓅波等人揭示了河蚌鉸鏈耐疲勞的奧秘，即鉸鏈中的折扇形區(qū)域組織提供了關(guān)鍵的力學(xué)支撐。“我們發(fā)現(xiàn)，在折扇形區(qū)域，脆性的碳酸鈣形成了超長納米線。這些納米線沿著扇形的徑向整齊排列，并嵌在柔性有機物中。



兩片外殼在開合時，脆性納米線和柔性有機物相互協(xié)調(diào)。”孟祥森解釋說，柔性有機物承擔(dān)了大部分的壓縮和剪切應(yīng)變，顯著減少了鉸鏈內(nèi)部的應(yīng)力集中，從而有效地避免了納米線的斷裂。再往更小的尺度看，納米線中間還存在一種孿晶面結(jié)構(gòu)，進一步增強了它對變形的抵抗力。正是這種從小到大、一級級的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使折扇形組織即使承受了較大形變也很難出現(xiàn)疲勞損傷。



進一步地，他們提出了“多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與成分固有特性相結(jié)合”的耐疲勞設(shè)計新策略，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計充分發(fā)揮各種組分的優(yōu)勢，在確保材料功能性的同時提升其在較大形變下的耐疲勞性能。依據(jù)新策略，他們在實驗室里制備出了一種玻纖-聚合物復(fù)合材料，并初步驗證了材料的疲勞抗性。俞書宏說，“這項成果填補了材料學(xué)領(lǐng)域?qū)嘈越M元的材料在較大形變下耐疲勞設(shè)計的空白，對未來可變形耐疲勞材料的仿生設(shè)計與制備具有重要意義。”



一位審稿專家高度評價該工作，稱“這無疑激發(fā)了對生物復(fù)合材料的進一步研究，以設(shè)計耐疲勞性能增強的新材料”。



生物材料難在解析



在材料學(xué)領(lǐng)域，研究者們有個“共識”——仿生材料難在制備，生物材料難在解析。“天然生物材料不僅組成未知，而且結(jié)構(gòu)精細(xì)，想要把如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及其功能之間的聯(lián)系說清楚，挑戰(zhàn)性巨大。”茅瓅波說，此次研究中，為了解析河蚌鉸鏈結(jié)構(gòu)，他們用上了“十八般武藝”。



首先，驗證河蚌鉸鏈的耐疲勞性能。在中國科大工程科學(xué)實驗中心高級工程師顧永剛和工程科學(xué)學(xué)院鄭東昌博士的幫助下，他們設(shè)計并自行搭建了疲勞測試裝置，對河蚌進行疲勞測試。經(jīng)過近兩周每天24小時不停歇的實驗，發(fā)現(xiàn)即使經(jīng)過高達150萬次的循環(huán)變形，河蚌鉸鏈仍未表現(xiàn)出疲勞的跡象，能夠繼續(xù)支持外殼的開合。



緊接著，借助中國科大國家同步輻射實驗室、微納研究與制造中心的科學(xué)裝置給鉸鏈做“CT”，觀察到鉸鏈中兩個不同的區(qū)域，并根據(jù)形狀、功能特點將其命名為：外韌帶、折扇區(qū)。同時，明晰了這兩個區(qū)域所承擔(dān)的力學(xué)角色：在外殼關(guān)閉過程中，折扇區(qū)通過變形，將外殼傳來的源自閉殼肌的驅(qū)動力傳遞給外韌帶，而外韌帶則能積蓄能量；外殼打開時，外韌帶中積蓄的能量釋放，再經(jīng)由折扇區(qū)傳導(dǎo)而打開外殼。



進一步地，利用X射線“解剖”折扇區(qū)的晶體學(xué)特征。中國科大生命科學(xué)實驗中心高級工程師朱中良不僅陪他們熬夜做測試，還主持搭建了一個自動測試平臺，極大減輕了實驗負(fù)擔(dān)。如何闡明河蚌鉸鏈結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，也是此次研究的一個難點。數(shù)值模擬是一種有效的分析手段，在前期實驗得到的表征信息基礎(chǔ)上，吳恒安團隊通過分級建模和分級模擬的方式最終解決了這個難題。



“簡單來說，就是‘復(fù)原’了河蚌開合過程中鉸鏈各區(qū)域間的協(xié)同變形行為，進而從本質(zhì)上揭示了鉸鏈結(jié)構(gòu)兼具高硬度、可變形性和耐疲勞等特性的力學(xué)機理。”中國科大工程科學(xué)學(xué)院副教授朱銀波解釋說， 這種多尺度和跨尺度的力學(xué)分析策略可為仿生結(jié)構(gòu)材料構(gòu)效關(guān)系的解析提供方法指導(dǎo)，對含脆性基元耐疲勞結(jié)構(gòu)功能一體化力學(xué)設(shè)計原則的建立具有重要借鑒意義。



另一位審稿專家在審稿過程中，對此次表征工作大為贊賞：“這份手稿展現(xiàn)了一個非常有趣的工作”“這是一份令人興奮的稿件。它集成了諸多表征技術(shù)來理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”。



“繼續(xù)挖掘挖掘再挖掘”



此次研究前后歷經(jīng)的三人：劉蕾、茅瓅波與孟祥森，同為俞書宏仿生材料研究團隊的成員。俞書宏介紹，團隊的科研理念就是“有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造”。首先，要學(xué)會發(fā)現(xiàn)自然界神奇的生物材料的性質(zhì)。接著，通過解析天然材料結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，幫助研究人員明晰新材料的創(chuàng)制與設(shè)計理念。最后，將研究成果應(yīng)用到實際材料中，提升現(xiàn)有傳統(tǒng)材料的性能。這也正是仿生材料的概念。2016年，在俞書宏的指導(dǎo)下，團隊參照河蚌合成天然珍珠母的策略，在國際上首次成功礦化合成了人工珍珠母，研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。



時隔7年，在俞書宏的帶領(lǐng)下，團隊再一次以河蚌為研究對象，揭示了河蚌鉸鏈耐疲勞機制，論文同樣發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。“這主要得益于俞老師的前瞻性眼光和對基礎(chǔ)研究的長期支持。”茅瓅波說，俞老師在2008年撰寫的“973計劃”項目中，就已經(jīng)完整提出了從生物材料解析到仿生材料制備的研究總路線。而如今，仿生材料學(xué)的研究正是沿著這條路線在進行。俞書宏建議，“從事仿生材料研究領(lǐng)域的工作，需要具備很強的學(xué)科交叉能力。比如，除了需要懂得化學(xué)材料相關(guān)知識，也需要掌握生物學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的知識。同時，要敢于做有挑戰(zhàn)性的研究，要把一個問題深挖、摸透。”



近年來，在俞書宏的帶領(lǐng)下，團隊不斷向“自然學(xué)習(xí)”，獲取仿生合成的靈感，一項項創(chuàng)新成果不斷問世：受北極熊毛發(fā)啟發(fā)，研制出保溫隔熱材料，有望應(yīng)用在建筑和航空航天領(lǐng)域；模仿竹子結(jié)構(gòu)，成功制備出納米“竹子”，為開發(fā)新型高效太陽能氫材料提供新途徑；受“藕斷絲連”啟發(fā)，研制出一種可用于手術(shù)縫線的仿蓮絲細(xì)菌纖維素水凝膠纖維……俞書宏表示，“大自然就像一個奇妙的‘合成工廠’。未來，我們將繼續(xù)挖掘。我們希望將這些低成本、環(huán)保型、可持續(xù)的生物基礎(chǔ)材料推向?qū)嶋H應(yīng)用。”目前，他們已與中國科學(xué)院海洋研究所聯(lián)系，以獲得更多“稀奇古怪”的生物樣品。它們可能就是賦予團隊新靈感的“繆斯女神”。



總之，“河蚌開合奧秘”這個研究的意義十分重要。通過對河蚌鉸鏈結(jié)構(gòu)的研究，我們可以深入理解自然界材料設(shè)計的原理，這將有助于我們更好地模擬自然材料，提升人工材料的性能、持久性和強度。



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