中國科學技術大學俞書宏院士今日Science!
【導讀】
眾所周知,從災難性的橋梁倒塌到工業設備損壞,再到塑料閂鎖的普通折斷,當結構因疲勞(由反復應力引起的損壞累積)而失效時,結構可能會斷裂。疲勞不僅是人工結構的問題,也是生物體的問題。跑步、跳躍、咀嚼、飛行,這些生活中的許多活動都涉及重復的負荷,可能導致疲勞衰竭,導致受傷或死亡,這給避免和修復疲勞引起的損傷帶來了很高的進化壓力。生物礦化組織(如骨骼、牙齒和軟體動物殼)通常是非常堅韌、抗疲勞的結構,主要由脆性陶瓷部件制成,因此為尋求克服強度和韌性之間通常權衡的材料科學家提供了靈感。與這些相對剛性的結構不同,雙殼類褶紋冠蚌的鉸鏈(又被稱之為雞冠蚌、湖蚌、綿蚌)是一種堅固的,可彎曲的生物礦化結構的多尺度結構。具體來說,貽貝和其他雙殼類(如牡蠣、蛤蜊和扇貝)構建了一個由兩個圓頂閥組成的外殼,這兩個圓頂閥由鉸鏈連接,這面臨著相當大的結構挑戰。閥門打開用于進食和繁殖,并在動物受到威脅時關閉。利用殼內的肌肉,雙殼類可以將瓣膜拉在一起,安全地封閉生物體的身體。然而,由于肌肉不能推動,動物不能用它們來強制打開瓣膜。相反,當閥門關閉時,鉸鏈會儲存彈性能量,以便當動物放松肌肉時,彈性反彈會導致閥門重新打開。雙殼類在一天中反復打開和關閉瓣膜,在某些物種中,可以活數百年,因此疲勞是一種潛在的危險。
【成果掠影】
在此,中國科學技術大學俞書宏院士,吳恒安教授和茅瓅波副研究員(通訊作者)以雙殼類褶紋冠蚌的鉸鏈為研究基礎,表明褶紋冠蚌的鉸鏈可以承受大約1500000次典型的載荷循環(相當于每分鐘一個循環持續近3年),而不會受到疲勞損傷,揭示了這種抗疲勞性的工作原理。研究表明,鉸鏈作為一個厚實的半圓形拱形,其內部部分形成“折疊扇區”和沿其外圍邊緣的彈性“外韌帶”。在每一端,拱門都連接到從其中一個閥門延伸的剛性基礎。當貽貝的肌肉收縮和瓣膜關閉時,足弓的基礎會旋轉。當基礎旋轉時,拱形折疊扇區域保持其徑向尺寸,但圓周變形,內邊緣壓縮,外邊緣擴展。這會拉伸外韌帶并允許它充當彈簧,儲存彈性能量,在肌肉放松時將鉸鏈恢復到初始配置。因此,外韌帶的能量存儲要求折疊風扇區域在圓周上變形,但在徑向上保持形狀,并且這兩個特征都必須具有抗疲勞性。
相關研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”為題發表在Science上。
【核心創新點】
1.通過整合跨尺度的原理,從鉸鏈的整體結構到單個晶體的原子結構揭示了自然界由脆性部件到抗疲勞,可彎曲,彈性結構的演變過程。
2.作為概念的初步驗證,作者通過將玻璃纖維嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物基質中,模擬了在彈性基質中排列的脆性納米線的使用。然而,如何最好地應用他們開發的完整多尺度原則仍然是一個持續存在的問題。
【數據概覽】
圖一、鉸鏈的結構特征和力學性能? 2023 AAAS
圖二、運動的傳輸關系? 2023 AAAS
圖三、微觀結構和晶體學特征? 2023 AAAS
圖四、原位應力狀態分析? 2023 AAAS
圖五、基于生物和人工的抗疲勞材料設計原理示意圖? 2023 AAAS
【成果啟示】
綜上所述,作者基于折疊扇形區域(FFR)和外韌帶(OL)兩大區域,揭示了鉸鏈上FFR的層次結構設計,其從宏觀層次一直延伸到晶格層面,這種設計不是孤立的抗疲勞機制的簡單積累,相反每個方面協同工作。FFR顯著的變形性和荷載平移能力源于分層結構,這是任何僅在幾個長度尺度上起作用的特定機制都無法實現的。FFR的功能性和抗疲勞性相結合,說明了如何通過利用每個組件的內在特性來延長材料的使用壽命。
文獻鏈接:“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”(Science,2023,10.1126/science.ade2038)
本文由材料人CYM編譯供稿。
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