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來源｜iNature、中國科學技術(shù)大學

2023年6月22日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊和吳恒安教授團隊合作在Science?在線發(fā)表題為“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve?Cristaria plicata”?的研究論文，該研究成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞設(shè)計新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理創(chuàng)制發(fā)展提供了新的見解。

審稿人評價稱：“這份手稿展示了一個非常有趣的工作”、“這是一份令人興奮的稿件。它集成了諸多表征技術(shù)來理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”、“這無疑激發(fā)了對生物復(fù)合材料的進一步研究，以設(shè)計抗疲勞性能增強的新材料”。同期Science?觀點欄目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”為題發(fā)表了評述，評述稱“通過整合不同尺度的原理——從鉸鏈的整體結(jié)構(gòu)到單個晶體的原子結(jié)構(gòu)——該文章揭示了大自然如何主要從脆性成分中創(chuàng)造出抗疲勞、可彎曲、有彈性的結(jié)構(gòu)。這些跨尺度原理要求在最精細的尺度上精確，而軟體動物如此精確地沉積殼的細胞和分子機制是一個正在探索的領(lǐng)域”；“匹配生物精細控制對于對生物啟發(fā)材料感興趣的人類工程師來說是一個特別的挑戰(zhàn)，正如開發(fā)模仿珍珠質(zhì)強度和韌性的復(fù)合材料所面臨的困難所證明的那樣”；“盡管該研究的力學性能與這種特殊生物體的需求相匹配，這些原理如何在更廣泛的系統(tǒng)范圍內(nèi)得到完善，這是令人興奮的前景。”

論文共同第一作者為中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心博士研究生孟祥森，近代力學系周立川博士（現(xiàn)就職于合肥工業(yè)大學）、化學系劉蕾博士。中國科學技術(shù)大學俞書宏院士、吳恒安教授和茅瓅波副研究員為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、新基石科學基金會、國家自然科學基金重點項目和中國科學院青促會等項目的資助支持。

雙殼綱動物褶紋冠蚌（Cristaria plicata）又稱雞冠蚌，是一種常見的淡水蚌類。為了滿足生存需求（濾食、運動等），其外殼在一生中需要進行數(shù)十萬次的開合運動，而連接兩片外殼的鉸鏈部位也會經(jīng)歷反復(fù)的受壓和變形，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐疲勞性能。本工作中，研究人員揭示了鉸鏈部位中的折扇形礦物硬組織所蘊含的跨尺度耐疲勞設(shè)計原理。從計算機斷層掃描圖（CT）和剖面光學照片可以看出，鉸鏈可以分為兩個不同的區(qū)域：外韌帶(OL)和折扇形礦物硬組織(FFR)（圖1，A和B）。研究人員首先觀察了這兩個區(qū)域在雙殼開合過程中的運動行為（圖1，D和E），并結(jié)合有限元分析(FEA)，明晰了不同區(qū)域所承擔的力學角色。在閉合過程中，OL發(fā)生拉伸，承擔主要的周向應(yīng)力并儲存大部分彈性應(yīng)變能；FFR區(qū)域在周向彎曲變形，并在受限的徑向變形下提供強有力的徑向支撐用以固定OL（圖1，F(xiàn)到H）。

圖1（A）褶紋冠蚌和截面照片；（B）鉸鏈切片照片和CT重構(gòu)圖；（C）在正常開合和過載狀態(tài)下的疲勞測試結(jié)果；（D）開合前后鉸鏈各區(qū)域形狀變化及其輪廓圖；（E）有限元模型對應(yīng)的開合前后的鉸鏈各區(qū)域形狀變化及其輪廓圖；（F）鉸鏈有限元分析模型示意圖；（G）開合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域周向應(yīng)力分布；（H）開合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域徑向應(yīng)力分布。

研究人員對FFR在不同尺度上的觀察發(fā)現(xiàn)，其具有跨尺度多級結(jié)構(gòu)特征。在宏觀尺度上，F(xiàn)FR的扇形外形能使其在OL和外殼之間實現(xiàn)有效的載荷傳遞。進一步的深入觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FR由彈性有機基質(zhì)和嵌入其中的脆性文石納米線組成。文石納米線直徑約為100-200納米，線的長軸方向在形貌上和扇形的徑向方向一致，在晶體學上納米線沿002晶向取向（圖2，A到H）。考慮到文石晶體在002晶向的壓縮模量遠大于其他晶向，這種微觀形貌和晶體學取向上的一致性意味著FFR能有效地為OL的拉伸提供支撐（圖2，I和J）。這一結(jié)果也通過壓縮力學和FEA模擬進行了進一步的驗證。此外，FEA模擬結(jié)果顯示，這種微米尺度上的軟硬復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)在壓縮、拉伸、剪切三種受力狀態(tài)下能夠進行協(xié)調(diào)變形，在這個過程中有機基質(zhì)承擔了大部分的壓縮和剪切應(yīng)變，極大地減少了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，從而避免了文石納米線側(cè)向斷裂，降低了FFR發(fā)生疲勞損傷的可能性。

圖2（A）FFR在縱向上的自然斷面掃描圖；（B）FFR在橫向上的自然斷面掃描圖；（C和D）FFR脫鈣處理之后的掃描圖；（E和F）文石納米線中的孿晶結(jié)構(gòu)透射電子顯微圖片；（G和H）文石納米線沿長度方向上的晶體學特征；（I和J）整個FFR中納米線在形貌上和晶體學上的取向分析示意圖。

從FFR的橫截面觀察，文石納米線呈近似六邊形，研究人員通過高分辨透射電子顯微鏡也在納米線中發(fā)現(xiàn)了納米孿晶結(jié)構(gòu)，考慮到文石納米線沿002方向生長，這一結(jié)構(gòu)可能與文石晶體Pmcn空間群易形成（110）孿晶界密切相關(guān)。這種沿納米線縱向方向的孿晶結(jié)構(gòu)的存在，在納米尺度上大大強化了納米線抗彎曲斷裂的能力（圖2，E和F）。與典型的天然硬質(zhì)生物礦物材料（如骨骼、牙釉質(zhì)）以及人工材料（如金屬、水凝膠）等相比，F(xiàn)FR所展現(xiàn)的特殊之處在于它能在承擔較大周向變形的同時，保持長時間的結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定。這項研究從宏觀到微納米尺度上揭示了FFR的跨尺度多級結(jié)構(gòu)設(shè)計原則（圖3）。

圖3 典型生物和人工結(jié)構(gòu)材料的耐疲勞設(shè)計機制。FFR中所具備的跨尺度結(jié)構(gòu)特征使其在可變形能力上明顯優(yōu)于典型的生物礦物如牙釉質(zhì)和骨骼，與常見的人工彈性體材料相比，F(xiàn)FR也一定程度保持了其高硬度和剛度。

這項研究揭示了含脆性基元的生物礦物材料在較大形變下的耐疲勞設(shè)計新機制，填補了國際上含脆性組元的仿生耐疲勞材料設(shè)計的空白，所提出的整合跨尺度結(jié)構(gòu)特征與功能特性的設(shè)計策略，能夠在不同尺度上充分發(fā)揮每種成分的固有特性，從而實現(xiàn)材料整體性能的優(yōu)化。這種兼顧變形性和耐疲勞性的跨尺度設(shè)計原則有望為未來功能材料的仿生設(shè)計和創(chuàng)制提供了嶄新思路。

注：解析參考自中國科學技術(shù)大學官網(wǎng)介紹。

解析鏈接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/83731.htm

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5939

原創(chuàng)文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/01/04/97f6c04f40/

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