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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”。這些梯度材料為我們提供了多個(gè)仿生材料設(shè)計(jì)原理。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院材料力學(xué)行為與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室駱天治教授團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)王正直副教授、張作啟教授合作，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(guò)有限元分析和3D打印技術(shù)確認(rèn)了兩種結(jié)構(gòu)中的增韌機(jī)制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理。相關(guān)成果分別以“Optimized Hierarchical Structure and Chemical Gradients Promote the Biomechanical Functions of the Spike of Mantis Shrimps”和“Multi-scale design of the chela of the hermit crabCoenobita brevimanus”為題，發(fā)表在近期的學(xué)術(shù)期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》和《Acta Biomaterialia》上。

圖1. 尾刺結(jié)構(gòu)信息與橫截面的局部力學(xué)性質(zhì)

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(guò)程中的應(yīng)變能，提高了結(jié)構(gòu)的整體韌性和強(qiáng)度。

圖2 .基于尾刺微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印樣品的單軸壓縮實(shí)驗(yàn).

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(guò)力學(xué)測(cè)試驗(yàn)證了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。

圖3 .寄居蟹左螯中的化學(xué)和力學(xué)梯度.

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(guò)橋接和拔出機(jī)制有效地提高了材料的斷裂韌性。

圖4.寄居蟹左螯中的宏觀結(jié)構(gòu)和層狀力學(xué)梯度優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能.

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，極大的降低了結(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。

兩篇文章的第一作者分別是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系博士生李珊和碩士生林偉欽。駱天治教授、王正直副教授和張作啟教授為共同通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和安徽省重大科技專項(xiàng)的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c02867

（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）