河蚌“鉸鏈”為新型柔性耐疲勞材料設(shè)計(jì)提供新途徑

(資料圖)

科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

你是否使用過折疊手機(jī)？是否想嘗試折疊屏卻又擔(dān)心折痕？來(lái)自大自然的力量將會(huì)解決這個(gè)問題。江河湖泊中隨處可見的河蚌，一生需要進(jìn)行數(shù)十萬(wàn)次重復(fù)的開合運(yùn)動(dòng)，卻能一直保持穩(wěn)定狀態(tài)不發(fā)生形變，其雙殼連接背脊處發(fā)揮關(guān)鍵作用的“鉸鏈”——貝脊給了科學(xué)家靈感。

河蚌及河蚌“鉸鏈”。中國(guó)科大供圖

記者23日從中國(guó)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)成功揭示了河蚌“鉸鏈”內(nèi)的可變形生物礦化組織的耐疲勞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的抗疲勞新策略，該研究成果于6月23日發(fā)表在《科學(xué)》上。

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)這種生物組織可以在河蚌雙殼重復(fù)打開和關(guān)閉運(yùn)動(dòng)期間，能承受較大的變形，同時(shí)可以長(zhǎng)期保持結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定，即使經(jīng)過1500000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。

為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(duì)河蚌“鉸鏈”在變形過程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬。鉸鏈區(qū)域可以分為兩個(gè)不同的區(qū)域：外韌帶（OL）和折疊扇形礦物組織區(qū)域（FFR）。在雙殼閉合過程中，OL發(fā)生拉伸，承擔(dān)主要的周向應(yīng)力并儲(chǔ)存大部分彈性應(yīng)變能；FFR區(qū)域沿周向彎曲變形，并在受限的徑向變形下提供強(qiáng)大徑向支撐固定OL。研究人員揭示了這一礦物中的從宏觀到微納米尺度的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)原則賦予了該組織高變形性、高耐疲勞性。

該項(xiàng)研究為今后柔性功能材料的組裝設(shè)計(jì)提供了一種全新的仿生模型，為延長(zhǎng)材料使用壽命提供了新的解決方案，對(duì)未來(lái)柔性耐疲勞材料的研制具有重要的指導(dǎo)意義。

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