我国科学家揭秘河蚌铰链耐疲劳的秘密

《科学》杂志发表了中国科学技术大学俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队的研究成果。他们揭示了河蚌铰链耐疲劳的奥秘，并提出了一种耐疲劳材料设计的新思路。

 

在此次研究中，研究人员探明了河蚌铰链中折扇形组织的设计原理，发现这种生物组织在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间，可以承受较大的变形，同时能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。

将自然原理真正“为我所用”并不容易。早在2013年，这项研究就已经在俞书宏的指导下开始进行，至今已持续了10余年。

提到河蚌，人们第一时间想到的是它会产珍珠，河蚌肉可以食用。河蚌躯干内部有一个由两个部分组成的构造，它们之间有着铰链式的连接点。离开水中后，这个连接点就会扩张并暴露出来，在危险的情况下，它们可以利用这个构造把面对着的壳门瞬间闭合，保护自己免于战斗或捕食。

此次研究中，在俞书宏的指导下，论文第一作者、中国科大博士生孟祥森，茅瓅波等人揭示了河蚌铰链耐疲劳的奥秘，即铰链中的折扇形区域组织提供了关键的力学支撑。“我们发现，在折扇形区域，脆性的碳酸钙形成了超长纳米线。这些纳米线沿着扇形的径向整齐排列，并嵌在柔性有机物中。两片外壳在开合时，脆性纳米线和柔性有机物相互协调。

进一步地，他们提出了“多尺度结构设计与成分固有特性相结合”的耐疲劳设计新策略，通过结构设计充分发挥各种组分的优势，在确保材料功能性的同时提升其在较大形变下的耐疲劳性能。依据新策略，他们在实验室里制备出了一种玻纤-聚合物复合材料，并初步验证了材料的疲劳抗性。俞书宏说，“这项成果填补了材料学领域对含脆性组元的材料在较大形变下耐疲劳设计的空白，对未来可变形耐疲劳材料的仿生设计与制备具有重要意义。”

脆性材料作为结构或功能部件被广泛应用于航空航天、电子器件和组织工程等领域。由于人工脆性材料对微裂纹和不易察觉的缺陷很敏感，在长时间的循环载荷作用下，材料很容易累积损伤产生疲劳裂纹，进而存在失效的风险。随着可折叠穿戴设备的发展，对具有高疲劳抗性的可变形功能材料的需求日益凸显。寻找并开发新的耐疲劳结构模型对未来可变形功能材料的设计制备具有重要的科学意义和应用价值。