其耐疲勞特性，為未來新型柔性耐疲勞材料設計提供新思路

  6月23日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊聯合吳恒安教授團隊從河蚌中獲得靈感，發現了河蚌“鉸鏈”的耐疲勞“秘密”，這為未來新型柔性耐疲勞材料設計提供了新思路。該研究成果於北京時間6月23日凌晨發表在國際知名學術期刊《Science》上。

  探明自然原理“為我所用”

  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闔運動，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”——貝脊給了中國科大科研人員靈感。

  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並且沒有表現出明顯的疲勞行為。

  不過，想將自然原理真正“為我所用”並不容易。記者獲悉，早在2013年，這項研究就已經在俞書宏院士的指導下開始進行，至今已持續了10餘年。

  “人工材料難在製備，自然材料難在解析。”中國科大副研究員茅瓅波介紹，“想要把如此複雜的材料結構以及性能之間的&&説清楚，十分具有挑戰性。”

  研究過程中，團隊遇到過不少困難。例如，十年前測試儀器很難實現對於材料精細結構表徵的要求，直到近些年國家和學校在這方面的投入加大，給了研究團隊更好的&&條件去達到想要實現的目標。其次，河蚌鉸鏈的解析需要用到非常規的表徵方式，這些都需要研究團隊自己一步步去設計和搭建裝置。

  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係，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。經過一次次失敗的經驗積累，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到微觀精細結構的力學行為，並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。

  具有廣闊的未來應用前景

  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，將為今後柔性功能材料的組裝設計提供了一種全新的倣生模型，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製具有重要的指導意義。

  隨着近年來小型智能化的可穿戴電子設備的發展，産品柔性化已成趨勢，可以説，“柔性”性能是未來産品開發的重要方向之一，像折疊屏、折疊手機已經逐漸融入我們的日常生活。不過，要想真正實現可靠的“柔性”性能，目前還存在亟需解決的問題。而這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結構設計策略對於需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創制具有普遍的指導意義。

  俞書宏院士&&，倣生材料未來發展前景非常廣闊，通過全新的設計理念，能創制出新的具有更優越性能的新材料，在航空航天、特種環境、防護等領域發揮出獨特的功能和應用價值，這也是團隊未來繼續努力要做的重要方向。

  合肥通客戶端-合報全媒體記者 劉暢司晨