即使經(jīng)過150萬次循環(huán)打開和關(guān)閉運動，自然界中河蚌“鉸鏈”依然能穩(wěn)定發(fā)揮作用并且沒有表現(xiàn)出明顯的疲勞行為。受此靈感，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊聯(lián)合吳恒安教授團隊，發(fā)現(xiàn)了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與成分固有特性相結(jié)合的抗疲勞新策略。
該研究成果于6月23日發(fā)表在《科學》(Science)上。
你是否使用過折疊手機？是否想嘗試折疊屏卻又擔心折痕？別擔心，來自大自然的力量將會解決這個問題。江河湖泊中隨處可見的河蚌，一生需要進行數(shù)十萬次重復的開合運動，卻能一直保持穩(wěn)定狀態(tài)不發(fā)生形變，其雙殼連接背脊處發(fā)揮關(guān)鍵作用的“鉸鏈”——貝脊給了科學家靈感。
為什么要研究普普通通的河蚌呢？“我們要向自然學習”，俞書宏院士說，“通過解析自然材料，特別是生物材料靠生命體所創(chuàng)造的微觀結(jié)構(gòu)，包括它的組成跟功能之間的關(guān)聯(lián)，可以指導我們進行更多的研究?！庇釙暝菏考捌鋱F隊早在2016年就參照軟體動物合成天然珍珠母的砌墻式策略，在世界上首次成功礦化合成了人工珍珠母。
俞書宏院士表示，通過對生物礦物微觀結(jié)構(gòu)的觀察和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)多級有序結(jié)構(gòu)對材料宏觀性能的提升能起到至關(guān)重要的作用。
“人工材料難在制備，自然材料難在解析?！蔽恼峦ㄓ嵶髡呙┉|波說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結(jié)構(gòu)設(shè)計是從宏觀尺度直達分子尺度。想要把如此復雜的材料結(jié)構(gòu)以及性能之間的聯(lián)系說清楚，十分具有挑戰(zhàn)性?！?/p>
研究中，科研團隊揭示了河蚌“鉸鏈”內(nèi)的可變形生物礦化組織的耐疲勞機制，發(fā)現(xiàn)了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與成分固有特性相結(jié)合的抗疲勞新策略。
研究人員探明了河蚌“鉸鏈”中折扇形組織的設(shè)計原理，發(fā)現(xiàn)這種生物組織可以在河蚌雙殼重復打開和關(guān)閉運動期間，能承受較大的變形，同時可以長期保持結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定，即使經(jīng)過150萬次循環(huán)，這種生物組織仍能穩(wěn)定發(fā)揮作用并且沒有表現(xiàn)出明顯的疲勞行為。
為研究這種生物材料的組成、結(jié)構(gòu)以及這二者與材料最終性能之間的關(guān)系，研究團隊利用數(shù)學近似的方法對河蚌“鉸鏈”在變形過程中的狀態(tài)進行模擬，并揭示了這一礦物中的從宏觀到微納米尺度的多級結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種設(shè)計原則賦予了該組織高變形性、高耐疲勞性。
隨著近年來小型智能化的可穿戴電子設(shè)備發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成為發(fā)展趨勢，“可折疊”“柔性化”性能是未來產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢之一，但存在諸如折疊式手機顯示屏折痕等亟需解決的問題。所以，尋找具有新型抗疲勞性的柔性材料需求日益凸顯。
據(jù)介紹，該項研究就為人工脆性材料組裝設(shè)計拓展了一種新型仿生模型，對未來柔性耐疲勞材料設(shè)計制備領(lǐng)域的發(fā)展也具有重要意義。俞書宏院士表示，仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設(shè)計理念，能設(shè)計出具有更優(yōu)越性能的高強材料，在飛機制造等高科技領(lǐng)域發(fā)揮出更多應用價值，這也是團隊未來堅持要做的一個方向。
