你是否關(guān)注過(guò)折疊屏手機(jī)？是否想嘗試使用折疊屏卻又擔(dān)心折痕的“通病”？來(lái)自大自然的力量可能將解決這個(gè)問(wèn)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”——貝脊給了中國(guó)科大科研人員靈感。

6月23日，記者從中國(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)從河蚌中獲得靈感，發(fā)現(xiàn)了河蚌鉸鏈的耐疲勞“秘密”，這將為未來(lái)新型柔性耐疲勞材料設(shè)計(jì)提供新思路。該研究成果于北京時(shí)間6月23日凌晨發(fā)表在知名科學(xué)期刊《Science》上。

【資料圖】

探明自然原理“為我所用”

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(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(guò)1,500,000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。

不過(guò)，想將此自然原理真正“為我所用”，并不容易。記者獲悉，這項(xiàng)研究從2013年就已經(jīng)在俞書宏院士的指導(dǎo)下開始進(jìn)行，至今持續(xù)了十余年。

“人工材料難在制備，自然材料難在解析?！敝袊?guó)科大副研究員茅瓅波介紹，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從宏觀尺度直達(dá)分子尺度。想要把如此復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)以及性能之間的聯(lián)系說(shuō)清楚，十分具有挑戰(zhàn)性?！?/p>

研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)遇到過(guò)不少困難。例如，十年前測(cè)試儀器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)于材料精細(xì)結(jié)構(gòu)表征的要求，直到近些年國(guó)家和學(xué)校在這方面的投入加大，給了研究團(tuán)隊(duì)更好的平臺(tái)條件去達(dá)到想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。其次，河蚌鉸鏈的解析需要用到非常規(guī)的表征方式，這些都需要研究團(tuán)隊(duì)自己一步步去設(shè)計(jì)和搭建裝置。

為了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(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)一次次失敗的經(jīng)驗(yàn)積累，最終成功揭示了河蚌“鉸鏈”內(nèi)的可變形生物礦化組織的耐疲勞機(jī)制，探明了河蚌鉸鏈組織從宏觀到微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，并給出了貝殼鉸鏈組織的多尺度結(jié)構(gòu)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(lái)應(yīng)用前景

大自然獨(dú)特的設(shè)計(jì)原則，賦予了河蚌“鉸鏈”組織高變形性、高耐疲勞性。而此次研究已成功揭示了其中機(jī)制，這將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。

實(shí)際上，隨著近年來(lái)小型智能化的可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢(shì)，可以說(shuō)，“柔性”性能是未來(lái)產(chǎn)品開發(fā)的重要方向之一，像折疊屏、折疊手機(jī)已經(jīng)逐漸融入我們的日常生活。不過(guò)，要想真正實(shí)現(xiàn)可靠的“柔性”性能，目前還存在亟需解決的問(wèn)題。其中就包括相關(guān)折疊問(wèn)題。

而這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略對(duì)于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創(chuàng)制具有普遍的指導(dǎo)意義。

俞書宏院士表示，仿生材料未來(lái)發(fā)展前景非常廣闊，通過(guò)全新的設(shè)計(jì)理念，能創(chuàng)制出新的具有更優(yōu)越性能的新材料，在航空航天、特種環(huán)境、防護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的功能和應(yīng)用價(jià)值，這也是團(tuán)隊(duì)未來(lái)繼續(xù)努力要做的重要方向。

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