我科學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計提供新思路
光明日報合肥6月23日電記者丁一鳴從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊聯(lián)合吳恒安教授團隊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制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設計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)材料的合理設計和制備提供了新的見解。相關研究成果6月23日發(fā)表在國際學術期刊《科學》上。
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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計原理，發(fā)現(xiàn)這種生物組織在河蚌雙殼重復打開和關閉運動期間，可以承受較大的變形，同時能長期保持結(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，這項研究就已經(jīng)在俞書宏的指導下開始進行，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。經(jīng)過一次次經(jīng)驗積累，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制，探明了河蚌鉸鏈組織從宏觀到微觀精細結(jié)構(gòu)的力學行為，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。
大自然獨特的設計原則，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制，將為今后柔性功能材料的組裝設計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意義。
隨著近年來小型智能化可穿戴電子設備的發(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，通過全新的設計理念，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、防護等領域發(fā)揮出獨特的功能和應用價值，這也是團隊未來繼續(xù)努力的重要方向。
《光明日報》（2023年06月24日03版）
責編：楊 旭審核：徐曉敬
