中科大俞书宏院士团队最新《Science》！

生物矿化组织（例如骨骼、牙齿和软体动物壳）通常是非常坚韧、抗疲劳的结构，主要由脆性陶瓷部件制成，因此为 寻求克服强度和韧性之间通常权衡的材料科学家提供了灵感 。

Figure 1. 淡水贻贝 Cristaria plicata 有一个抗疲劳铰链，当阀门关闭时，铰链会储存弹性能量，使阀门能够弹开

双壳类动物 Cristaria plicata 的铰链在其一生中会经历数十万次重复的阀门打开和关闭运动，受其启发， 中国科学技术大学 俞书宏院士、 吴恒安教授、 茅瓅波副教授 提出了 提高结构材料抗疲劳性能的策略 。该论文题为“Deformable hard tissues with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata ”于2023年6月23日发表在《Science》杂志上。

研究人员研究了双壳类 Cristaria plicata 铰链中矿化组织的分层设计，该设计赋予组织可变形性和抗疲劳性，从而成为重复运动能力的基础。 这种折叠扇形组织由嵌入弹性基质中的径向排列的脆文石纳米线组成，可以将外部径向载荷转化为圆周变形。软硬复合的微观结构可以抑制组织内的应力集中。沿着纳米线纵向的相干纳米孪晶边界增加了它们的抗弯曲断裂能力。这种不寻常的生物矿物通过多尺度结构设计利用了每个成分的固有特性，为抗疲劳结构材料的演变提供了见解 。研究人员通过多尺度结构挖掘各部件的固有特性，提出了 一种新颖的抗疲劳结构材料设计策略 。

Figure 2. 概述图

【宏观组织和力学性能】

双壳贝壳Cristaria plicata铰链中可变形钙质组织的抗疲劳设计如图1A所示。铰链位于双壳贝壳的背缘，通过铰链将两个瓣膜连接在一起，并充当重复打开和关闭（ROAC)运动的轴（图1A，ii和B，i）。 Cristaria plicata的铰链可以承受 1500000 次典型负载循环（相当于每分钟一个循环，持续近 3 年）而不发生疲劳损坏 （图1C）。重建的 X 射线微计算机断层扫描 (μCT) 图像显示铰链中电子密度分布不均匀，铰链周围有多孔组织和两个平板区域（图 1B，ii）。鉴于光学和μCT图像的差异（图1B）， 铰链是一个厚的半圆弓，其内部形成“折扇区域”（FFR），并沿其周边边缘有弹性“外韧带”（OL） （Figure 2）。

图 1.  铰链的结构特点和力学性能

拱门的每一端都连接到从其中一个阀门延伸的刚性基础上。当贻贝的肌肉收缩并且瓣膜关闭时，拱形的基础就会旋转。当底座旋转时，拱形折扇区域保持其径向尺寸，但周向变形，内边缘压缩，外边缘膨胀。这会拉伸外韧带并使其发挥弹簧的作用，存储弹性能量，当肌肉放松时，使铰链恢复到其初始配置。因此， 外韧带的能量存储要求折扇区域能够周向变形但保持径向形状，并且这两个特征都必须具有抗疲劳性 （图2）。

当加载时，小缺陷发展成扩展裂纹，材料就会疲劳。如果经过重复的负载循环后，裂缝延伸到结构上，结构就会发生灾难性的破坏。软体动物（包括双壳类）利用有机基质中的脆性碳酸钙晶体，通过多尺度策略建造能够抵抗疲劳的贝壳，从而减缓累积损伤的蔓延。

图 2. ROAC运动的传递关系

【微观结构和晶体学特征】

Cristaria plicata的铰链拱也是由有机基质中的碳酸钙晶体构成的，但与贝壳不同的是，它是柔性的。本文报道的抗疲劳机制表明： 其运作的主要目的不是限制损害，而是从一开始就避免损害 。 折扇区域由径向取向且紧密堆积在有机基质中的陶瓷文石纳米线组成。柔性基质有助于周向变形，纳米线提供径向刚性以支撑外韧带 。然而，纳米线的重复压缩负载引入了一个潜在的问题：坚硬、细的纳米线如何避免断裂？ 有机基质有助于防止纳米线弯曲并减少纳米线滑动引起的剪切应力 。此外，纳米线沿着特定的晶体轴排列，这具有多种优点：它是最坚硬的方向，它是生长最快的轴，并且它与孪晶边界的形成有关，因此 许多纳米线形成为沿一个面连接的孪晶晶体，这是一种防止弯曲和断裂的结构 （图3）。

图 3. . FFR 中的文石纳米线的微观结构和晶体学特征

通过整合跨尺度的原理——从铰链的整体结构到单个晶体的原子结构，研究人员揭示大自然如何主要利用脆性成分创造出抗疲劳、可弯曲、弹性的结构 。这些跨尺度原理需要最精细尺度的精度，而软体动物以如此精度沉积贝壳的细胞和分子机制是一个持续探索的领域。

图 4. 纳米线的原位应力状态分析

【结论与展望】

本文从宏观层面一直延伸到晶格层面揭示了Cristaria plicata铰链中FFR的分层结构设计。这种设计并不是孤立的抗疲劳机制的简单积累； 相反，每个方面都是协同作用的 （图 5）。FFR显着的变形能力和载荷转换能力源自分层结构，这是任何仅在几个长度尺度上起作用的特定机制无法实现的。 FFR的功能性和抗疲劳性的结合例证了如何通过利用每个组件的固有属性来延长材料的使用寿命 。此外， Cristaria plicata 壳还利用文石固有的晶体学特性来实现FFR的生物矿化；这种策略很少用于人造结构材料的制造。进一步，研究人员通过 将玻璃纤维嵌入聚二甲基硅氧烷聚合物基质中，模拟了在弹性基质中排列的脆性纳米线的使用。 然而，如何最好地应用他们开发的完整的多尺度原则仍然是一个持续存在的问题。

图 5. 典型生物和人工结构材料的抗疲劳设计

--纤维素推荐--

--荐号--