河蚌“鉸鏈”為新型柔性耐疲勞材料設計提供新途徑

(資料圖)

科技日報記者 吳長鋒

你是否使用過折疊手機？是否想嘗試折疊屏卻又擔心折痕？來自大自然的力量將會解決這個問題。江河湖泊中隨處可見的河蚌，一生需要進行數十萬次重復的開合運動，卻能一直保持穩定狀態不發生形變，其雙殼連接背脊處發揮關鍵作用的“鉸鏈”——貝脊給了科學家靈感。

河蚌及河蚌“鉸鏈”。中國科大供圖

記者23日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河蚌“鉸鏈”內的可變形生物礦化組織的耐疲勞機制，發現了一種多尺度結構設計與成分固有特性相結合的抗疲勞新策略，該研究成果于6月23日發表在《科學》上。

研究人員探明了河蚌“鉸鏈”中折扇形組織的設計原理，發現這種生物組織可以在河蚌雙殼重復打開和關閉運動期間，能承受較大的變形，同時可以長期保持結構和功能的穩定，即使經過1500000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。

為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。鉸鏈區域可以分為兩個不同的區域：外韌帶（OL）和折疊扇形礦物組織區域（FFR）。在雙殼閉合過程中，OL發生拉伸，承擔主要的周向應力并儲存大部分彈性應變能；FFR區域沿周向彎曲變形，并在受限的徑向變形下提供強大徑向支撐固定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結構設計，這種設計原則賦予了該組織高變形性、高耐疲勞性。

該項研究為今后柔性功能材料的組裝設計提供了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的指導意義。

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