科學(xué)家受蝦蟹結(jié)構(gòu)啟發(fā)制備高強(qiáng)高韌仿生材料

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授駱天治團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)副教授王正直、教授張作啟合作，研究了具有防御功能的螳螂蝦尾刺（矛）和寄居蟹左螯（盾），綜合利用多種實(shí)驗(yàn)手段揭示了其從納米尺度到厘米尺度的化學(xué)梯度、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的相關(guān)性，并通過有限元分析和3D打印技術(shù)確認(rèn)兩種結(jié)構(gòu)中的增韌機(jī)制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理。相關(guān)成果日前分別發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料與接口》和《生物材料》。 

　　生物界中存在許多梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的攻擊與防御“工具”，這些梯度材料為人類提供了多種仿生材料設(shè)計(jì)原理。螳螂蝦尾刺的外骨骼包括四個(gè)不同的結(jié)構(gòu)層，每層都具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分特征。這些層狀結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分密切相關(guān)，幾者的組合有效地限制了裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)最大限度地釋放了變形過程中的應(yīng)變能，提高了結(jié)構(gòu)的整體韌性和強(qiáng)度。

　　研究人員使用3D打印技術(shù)制備了多個(gè)尾刺的仿生微結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)測(cè)試驗(yàn)證了布林根（Bouligand）結(jié)構(gòu)與徑向的平行層狀結(jié)構(gòu)的組合，能極大地提高結(jié)構(gòu)總體韌性和強(qiáng)度這一設(shè)計(jì)理念。這為制備高強(qiáng)高韌的仿生復(fù)合材料提出了一條新的路徑。

　　寄居蟹左螯的外骨骼分為五層。同樣，這些層狀結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分也密切相關(guān)。特別是結(jié)構(gòu)中三維正交排列的己丁質(zhì)纖維通過橋接和拔出機(jī)制有效地提高了材料的斷裂韌性。

　　左螯穹頂狀形貌的局部曲率和三明治狀的層間力學(xué)性能分布，從整體上為其抗擊外部攻擊提供了優(yōu)化的力學(xué)性能，極大地降低了結(jié)構(gòu)的變形和界面應(yīng)力，展示了有效的防護(hù)功能。這為抗沖擊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種思路。

　　相關(guān)論文信息：

　　https://doi.org/10.1021/acsami.1c02867

　　https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.012