我科學(xué)家揭秘河蚌鉸鏈為何耐疲勞

將為未來新型柔性耐疲勞材料設(shè)計(jì)提供新思路

光明日報(bào)合肥6月23日電記者丁一鳴從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合吳恒安教授團(tuán)隊(duì)成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機(jī)制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理設(shè)計(jì)和制備提供了新的見解。相關(guān)研究成果6月23日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

在此次研究中，研究人員探明了河蚌鉸鏈中折扇形組織的設(shè)計(jì)原理，發(fā)現(xiàn)這種生物組織在河蚌雙殼重復(fù)打開和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)期間，可以承受較大的變形，同時(shí)能長期保持結(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。

將自然原理真正“為我所用”并不容易。早在2013年，這項(xiàng)研究就已經(jīng)在俞書宏的指導(dǎo)下開始進(jìn)行，至今已持續(xù)了10余年。

為了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(tuán)隊(duì)利用數(shù)學(xué)近似的方法對河蚌鉸鏈在變形過程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬。經(jīng)過一次次經(jīng)驗(yàn)積累，最終成功揭示了河蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦化組織的耐疲勞機(jī)制，探明了河蚌鉸鏈組織從宏觀到微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，并給出了貝殼鉸鏈組織的多尺度結(jié)構(gòu)與耐疲勞性能之間的清晰而令人信服的物理圖像描述。

大自然獨(dú)特的設(shè)計(jì)原則，賦予了河蚌鉸鏈組織高變形性、高耐疲勞性。此次研究已成功揭示了其中機(jī)制，將為今后柔性功能材料的組裝設(shè)計(jì)提供一種全新的仿生模型，為延長材料使用壽命提供了新的解決方案，對未來柔性耐疲勞材料的研制具有重要指導(dǎo)意義。

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?？梢哉f，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(jī)已經(jīng)逐漸融入我們的日常生活。不過，要想真正實(shí)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(jì)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。

俞書宏表示，仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設(shè)計(jì)理念，能創(chuàng)制出新的具有更優(yōu)越性能的新材料，在航空航天、特種環(huán)境、防護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的功能和應(yīng)用價(jià)值，這也是團(tuán)隊(duì)未來繼續(xù)努力的重要方向。

《光明日報(bào)》（ 2023年06月24日03版）