世界快看:河蚌“鉸鏈”為新型柔性耐疲勞材料設(shè)計(jì)提供新途徑
【資料圖】
你是否使用過(guò)折疊手機(jī)?是否想嘗試折疊屏卻又擔(dān)心折痕?來(lái)自大自然的力量將會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。江河湖泊中隨處可見(jiàn)的河蚌,一生需要進(jìn)行數(shù)十萬(wàn)次重復(fù)的開(kāi)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”——貝脊給了科學(xué)家靈感。河蚌及河蚌“鉸鏈”。中國(guó)科大供圖
記者23日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,該校俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合吳恒安教授團(tuán)隊(duì)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,發(fā)現(xiàn)了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的抗疲勞新策略,該研究成果于6月23日發(fā)表在《科學(xué)》上。
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(kāi)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)1500000次循環(huán),這種生物組織仍能穩(wěn)定發(fā)揮作用并且沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的疲勞行為。
為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。鉸鏈區(qū)域可以分為兩個(gè)不同的區(qū)域:外韌帶(OL)和折疊扇形礦物組織區(qū)域(FFR)。在雙殼閉合過(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)域沿周向彎曲變形,并在受限的徑向變形下提供強(qiáng)大徑向支撐固定OL。研究人員揭示了這一礦物中的從宏觀到微納米尺度的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)原則賦予了該組織高變形性、高耐疲勞性。
該項(xiàng)研究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。
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