我科学家揭秘河蚌铰链为何耐疲劳

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光明日报合肥6月23日电 记者丁一鸣从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制,提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳新策略,为未来耐疲劳结构材料的合理设计和制备提供了新的见解。相关研究成果6月23日发表在国际学术期刊《科学》上。

在此次研究中,研究人员探明了河蚌铰链中折扇形组织的设计原理,发现这种生物组织在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间,可以承受较大的变形,同时能长期保持结构和功能的稳定,即使经过150万次循环,这种生物组织仍能稳定发挥作用并且没有表现出明显的疲劳行为。

将自然原理真正“为我所用”并不容易。早在2013年,这项研究就已经在俞书宏的指导下开始进行,至今已持续了10余年。

为了研究这种生物材料的组成、结构以及这二者与材料最终性能之间的关系,研究团队利用数学近似的方法对河蚌铰链在变形过程中的状态进行模拟。经过一次次经验积累,最终成功揭示了河蚌铰链内的可变形生物矿化组织的耐疲劳机制,探明了河蚌铰链组织从宏观到微观精细结构的力学行为,并给出了贝壳铰链组织的多尺度结构与耐疲劳性能之间的清晰而令人信服的物理图像描述。

大自然独特的设计原则,赋予了河蚌铰链组织高变形性、高耐疲劳性。此次研究已成功揭示了其中机制,将为今后柔性功能材料的组装设计提供一种全新的仿生模型,为延长材料使用寿命提供了新的解决方案,对未来柔性耐疲劳材料的研制具有重要指导意义。

随着近年来小型智能化可穿戴电子设备的发展,产品柔性化已成趋势。可以说,柔性性能是未来产品开发的重要方向之一,折叠屏手机已经逐渐融入我们的日常生活。不过,要想真正实现可靠的柔性性能,目前还存在亟须解决的问题。而这种从河蚌铰链可变形生物矿物中提取的耐疲劳结构设计策略,对于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形变的柔性功能材料的创制具有普遍指导意义。

俞书宏表示,仿生材料未来发展前景非常广阔,通过全新的设计理念,能创制出新的具有更优越性能的新材料,在航空航天、特种环境、防护等领域发挥出独特的功能和应用价值,这也是团队未来继续努力的重要方向。