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2023-06-23 23:22:01 来源:中国新闻网

中新网合肥6月23日电 (记者 吴兰)即使经过150万次循环打开和关闭运动,自然界中河蚌“铰链”依然能稳定发挥作用并且没有表现出明显的疲劳行为。受此灵感,中国科学技术大学俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队,发现了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的抗疲劳新策略。

该研究成果于6月23日发表在《科学》(Science)上。

你是否使用过折叠手机?是否想尝试折叠屏却又担心折痕?别担心,来自大自然的力量将会解决这个问题。江河湖泊中随处可见的河蚌,一生需要进行数十万次重复的开合运动,却能一直保持稳定状态不发生形变,其双壳连接背脊处发挥关键作用的“铰链”——贝脊给了科学家灵感。

为什么要研究普普通通的河蚌呢?“我们要向自然学习”,俞书宏院士说,“通过解析自然材料,特别是生物材料靠生命体所创造的微观结构,包括它的组成跟功能之间的关联,可以指导我们进行更多的研究。”俞书宏院士及其团队早在2016年就参照软体动物合成天然珍珠母的砌墙式策略,在世界上首次成功矿化合成了人工珍珠母。

俞书宏院士表示,通过对生物矿物微观结构的观察和深入研究,可以发现多级有序结构对材料宏观性能的提升能起到至关重要的作用。

“人工材料难在制备,自然材料难在解析。”文章通讯作者茅瓅波说,“从自然界获得的天然生物材料,它们不仅组成未知,而且其结构设计是从宏观尺度直达分子尺度。想要把如此复杂的材料结构以及性能之间的联系说清楚,十分具有挑战性。”

研究中,科研团队揭示了河蚌“铰链”内的可变形生物矿化组织的耐疲劳机制,发现了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的抗疲劳新策略。

研究人员探明了河蚌“铰链”中折扇形组织的设计原理,发现这种生物组织可以在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间,能承受较大的变形,同时可以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。

为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,并揭示了这一矿物中的从宏观到微纳米尺度的多级结构设计,这种设计原则赋予了该组织高变形性、高耐疲劳性。

随着近年来小型智能化的可穿戴电子设备发展,产品柔性化已成为发展趋势,“可折叠”“柔性化”性能是未来产品发展的重要趋势之一,但存在诸如折叠式手机显示屏折痕等亟需解决的问题。所以,寻找具有新型抗疲劳性的柔性材料需求日益凸显。

据介绍,该项研究就为人工脆性材料组装设计拓展了一种新型仿生模型,对未来柔性耐疲劳材料设计制备领域的发展也具有重要意义。俞书宏院士表示,仿生材料未来发展前景非常广阔,通过全新的设计理念,能设计出具有更优越性能的高强材料,在飞机制造等高科技领域发挥出更多应用价值,这也是团队未来坚持要做的一个方向。

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