我科學(xué)家揭秘河蚌鉸鏈為何耐疲勞_世界新消息

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(資料圖)

我科學(xué)家揭秘河蚌鉸鏈為何耐疲勞

將為未來(lái)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(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書(shū)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構設計與成分固有特性相結合的耐疲勞新策略，為未來(lái)耐疲勞結構材料的合理設計和制備提供了新的見(jiàn)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計原理，發(fā)現這種生物組織在河蚌雙殼重復打開(kāi)和關(guān)閉運動(dòng)期間，可以承受較大的變形，同時(shí)能長(cháng)期保持結構和功能的穩定，即使經(jīng)過(guò)150萬(wàn)次循環(huán)，這種生物組織仍能穩定發(fā)揮作用并且沒(méi)有表現出明顯的疲勞行為。

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(shū)宏的指導下開(kāi)始進(jìn)行，至今已持續了10余年。

為了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(guān)系，研究團隊利用數學(xué)近似的方法對河蚌鉸鏈在變形過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)一次次經(jīng)驗積累，最終成功揭示了河蚌鉸鏈內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(guān)到微觀(guān)精細結構的力學(xué)行為，并給出了貝殼鉸鏈組織的多尺度結構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(cháng)材料使用壽命提供了新的解決方案，對未來(lái)柔性耐疲勞材料的研制具有重要指導意義。

隨著(zhù)近年來(lái)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?？梢哉f(shuō)，柔性性能是未來(lái)產(chǎn)品開(kāi)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(guò)，要想真正實(shí)現可靠的柔性性能，目前還存在亟須解決的問(wèn)題。而這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結構設計策略，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(shū)宏表示，仿生材料未來(lái)發(fā)展前景非常廣闊，通過(guò)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(lǐng)域發(fā)揮出獨特的功能和應用價(jià)值，這也是團隊未來(lái)繼續努力的重要方向。

《光明日報》（ 2023年06月24日 03版）

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