中新網合肥6月23日電 (記者 吳蘭)即使經過150萬次循環打開和關閉運動，自然界中河蚌“鉸鏈”依然能穩定發揮作用并且沒有表現出明顯的疲勞行為。受此靈感，中國科學技術大學俞書宏院士團隊聯合吳恒安教授團隊，發現了一種多尺度結構設計與成分固有特性相結合的抗疲勞新策略。
該研究成果于6月23日發表在《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，一生需要進行數十萬次重復的開合運動，卻能一直保持穩定狀態不發生形變，其雙殼連接背脊處發揮關鍵作用的“鉸鏈”——貝脊給了科學家靈感。
(資料圖片僅供參考)
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造的微觀結構，包括它的組成跟功能之間的關聯，可以指導我們進行更多的研究。”俞書宏院士及其團隊早在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構的觀察和深入研究，可以發現多級有序結構對材料宏觀性能的提升能起到至關重要的作用。
“人工材料難在制備，自然材料難在解析。”文章通訊作者茅瓅波說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結構設計是從宏觀尺度直達分子尺度。想要把如此復雜的材料結構以及性能之間的聯系說清楚，十分具有挑戰性。”
研究中，科研團隊揭示了河蚌“鉸鏈”內的可變形生物礦化組織的耐疲勞機制，發現了一種多尺度結構設計與成分固有特性相結合的抗疲勞新策略。
研究人員探明了河蚌“鉸鏈”中折扇形組織的設計原理，發現這種生物組織可以在河蚌雙殼重復打開和關閉運動期間，能承受較大的變形，同時可以長期保持結構和功能的穩定，即使經過150萬次循環，這種生物組織仍能穩定發揮作用并且沒有表現出明顯的疲勞行為。
為研究這種生物材料的組成、結構以及這二者與材料最終性能之間的關系，研究團隊利用數學近似的方法對河蚌“鉸鏈”在變形過程中的狀態進行模擬，并揭示了這一礦物中的從宏觀到微納米尺度的多級結構設計，這種設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備發展，產品柔性化已成為發展趨勢，“可折疊”“柔性化”性能是未來產品發展的重要趨勢之一，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。
據介紹，該項研究就為人工脆性材料組裝設計拓展了一種新型仿生模型，對未來柔性耐疲勞材料設計制備領域的發展也具有重要意義。俞書宏院士表示，仿生材料未來發展前景非常廣闊，通過全新的設計理念，能設計出具有更優越性能的高強材料，在飛機制造等高科技領域發揮出更多應用價值，這也是團隊未來堅持要做的一個方向。（完）
責任編輯：
