脆性材料作為結(jié)構(gòu)或功能部件被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子器件和組織工程等領(lǐng)域,。由于人工脆性材料對(duì)微裂紋和不易察覺(jué)的缺陷很敏感,，在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)載荷作用下，材料很容易累積損傷產(chǎn)生疲勞裂紋,，進(jìn)而存在失效的風(fēng)險(xiǎn),。隨著可折疊穿戴設(shè)備的發(fā)展，對(duì)具有高疲勞抗性的可變形功能材料的需求日益凸顯,。通過(guò)模仿典型的生物礦物材料如珍珠母,、骨骼等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提升脆性材料疲勞抗性，但這常依賴(lài)于疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中增韌行為，然而一旦裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,，就會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生不可逆的影響,，因此尋找并開(kāi)發(fā)新的耐疲勞結(jié)構(gòu)模型對(duì)未來(lái)可變形功能材料的設(shè)計(jì)制備具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)和吳恒安教授團(tuán)隊(duì)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(jī)制,，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞設(shè)計(jì)新策略,，為未來(lái)耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理創(chuàng)制發(fā)展提供了新的見(jiàn)解。研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”為題,，于6月23日發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上,。
審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)：“這份手稿展示了一個(gè)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(lái)理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”,、“這無(wú)疑激發(fā)了對(duì)生物復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，以設(shè)計(jì)抗疲勞性能增強(qiáng)的新材料”,。同期《Science》觀點(diǎn)欄目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”為題發(fā)表了評(píng)述（Science 2023, 380, 1216-1218）,，評(píng)述稱(chēng)“通過(guò)整合不同尺度的原理——從鉸鏈的整體結(jié)構(gòu)到單個(gè)晶體的原子結(jié)構(gòu)——孟等人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(xì)的尺度上精確，而軟體動(dòng)物如此精確地沉積殼的細(xì)胞和分子機(jī)制是一個(gè)正在探索的領(lǐng)域”,；“匹配生物精細(xì)控制對(duì)于對(duì)生物啟發(fā)材料感興趣的人類(lèi)工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別的挑戰(zhàn),，正如開(kāi)發(fā)模仿珍珠質(zhì)強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料所面臨的困難所證明的那樣”；“盡管孟等人研究的力學(xué)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?！?/span>
論文共同第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博士研究生孟祥森,，近代力學(xué)系周立川博士（現(xiàn)就職于合肥工業(yè)大學(xué)）、化學(xué)系劉蕾博士,。我校俞書(shū)宏院士,、吳恒安教授和茅瓅波副研究員為論文通訊作者。
雙殼綱動(dòng)物褶紋冠蚌（Cristaria plicata）又稱(chēng)雞冠蚌,，是一種常見(jiàn)的淡水蚌類(lèi),。為了滿(mǎn)足生存需求（濾食、運(yùn)動(dòng)等）,，其外殼在一生中需要進(jìn)行數(shù)十萬(wàn)次的開(kāi)合運(yùn)動(dòng),，而連接兩片外殼的鉸鏈部位也會(huì)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(yùn)含的跨尺度耐疲勞設(shè)計(jì)原理,。從計(jì)算機(jī)斷層掃描圖（CT）和剖面光學(xué)照片可以看出，鉸鏈可以分為兩個(gè)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(gè)區(qū)域在雙殼開(kāi)合過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)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(dān)的力學(xué)角色。在閉合過(guò)程中,，OL發(fā)生拉伸,，承擔(dān)主要的周向應(yīng)力并儲(chǔ)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(qiáng)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(kāi)合和過(guò)載狀態(tài)下的疲勞測(cè)試結(jié)果,；（D）開(kāi)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(duì)應(yīng)的開(kāi)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(kāi)合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域周向應(yīng)力分布,；（H）開(kāi)合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域徑向應(yīng)力分布。
研究人員對(duì)FFR在不同尺度上的觀察發(fā)現(xiàn),，其具有跨尺度多級(jí)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(shí)現(xiàn)有效的載荷傳遞,。進(jìn)一步的深入觀察發(fā)現(xiàn),，F(xiàn)FR由彈性有機(jī)基質(zhì)和嵌入其中的脆性文石納米線(xiàn)組成。文石納米線(xiàn)直徑約為100-200納米,，線(xiàn)的長(zhǎng)軸方向在形貌上和扇形的徑向方向一致,，在晶體學(xué)上納米線(xiàn)沿002晶向取向（圖2，A到H）,?？紤]到文石晶體在002晶向的壓縮模量遠(yuǎn)大于其他晶向，這種微觀形貌和晶體學(xué)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(guò)壓縮力學(xué)和FEA模擬進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。此外,，F(xiàn)EA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(jìn)行協(xié)調(diào)變形,，在這個(gè)過(guò)程中有機(jī)基質(zhì)承擔(dān)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(xiàn)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(xiàn)中的孿晶結(jié)構(gòu)透射電子顯微圖片；（G和H）文石納米線(xiàn)沿長(zhǎng)度方向上的晶體學(xué)特征,；（I和J）整個(gè)FFR中納米線(xiàn)在形貌上和晶體學(xué)上的取向分析示意圖,。
從FFR的橫截面觀察，文石納米線(xiàn)呈近似六邊形,，研究人員通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡也在納米線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了納米孿晶結(jié)構(gòu),，考慮到文石納米線(xiàn)沿002方向生長(zhǎng)，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(xiàn)縱向方向的孿晶結(jié)構(gòu)的存在,，在納米尺度上大大強(qiáng)化了納米線(xiàn)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(dān)較大周向變形的同時(shí),，保持長(zhǎng)時(shí)間的結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定。這項(xiàng)研究從宏觀到微納米尺度上揭示了FFR的跨尺度多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)機(jī)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(jiàn)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(xiàng)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(jì)新機(jī)制，填補(bǔ)了國(guó)際上含脆性組元的仿生耐疲勞材料設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)原則有望為未來(lái)功能材料的仿生設(shè)計(jì)和創(chuàng)制提供嶄新思路,。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì),、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的資助支持,。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038
Featured by Science Perspectives:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5939
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心,、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
