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我科學家揭秘河蚌鉸鏈為何耐疲勞

將為未來新型柔性耐疲勞材料設計提供新思路

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成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內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構設計與成分固有特性相結合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結構材料的合理設計和制備提供了新的見解。相關研究成果6月23日發表在國際學術期刊《科學》上。

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，發現這種生物組織在河蚌雙殼重復打開和關閉運動期間，可以承受較大的變形，同時能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并且沒有表現出明顯的疲勞行為。

將自然原理真正“為我所用”并不容易。早在2013年，這項研究就已經在俞書宏的指導下開始進行，至今已持續了10余年。

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系，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，并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。

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，將為今后柔性功能材料的組裝設計提供一種全新的仿生模型，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制具有重要指導意義。

隨著近年來小型智能化可穿戴電子設備的發展，產品柔性化已成趨勢。可以說，柔性性能是未來產品開發的重要方向之一，折疊屏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，目前還存在亟須解決的問題。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制具有普遍指導意義。

俞書宏表示，仿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的重要方向。