工信部：前五個月電信業(yè)務(wù)總量同比增17.2%
2023-06-23 23:35:01
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)河蚌鉸鏈脆性成分中的抗疲勞結(jié)構(gòu)_全球視訊
2023-06-23 23:35:01 來源: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
脆性材料作為結(jié)構(gòu)或功能部件被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子器件和組織工程等領(lǐng)域。由于人工脆性材料對微裂紋和不易察覺的缺陷很敏感，在長時間的循環(huán)載荷作用下，材料很容易累積損傷產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而存在失效的風(fēng)險。隨著可折疊穿戴設(shè)備的發(fā)展，對具有高疲勞抗性的可變形功能材料的需求日益凸顯。通過模仿典型的生物礦物材料如珍珠母、骨骼等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提升脆性材料疲勞抗性，但這常依賴于疲勞裂紋擴(kuò)展過程中增韌行為，然而一旦裂紋開始擴(kuò)展，就會對器件的性能產(chǎn)生不可逆的影響，因此尋找并開發(fā)新的耐疲勞結(jié)構(gòu)模型對未來可變形功能材料的設(shè)計(jì)制備具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)和吳恒安教授團(tuán)隊(duì)成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機(jī)制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞設(shè)計(jì)新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理創(chuàng)制發(fā)展提供了新的見解。研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalveCristaria plicata”為題，于6月23日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上。
(資料圖片僅供參考)
審稿人評價稱：“這份手稿展示了一個非常有趣的工作”、“這是一份令人興奮的稿件。它集成了諸多表征技術(shù)來理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”、“這無疑激發(fā)了對生物復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，以設(shè)計(jì)抗疲勞性能增強(qiáng)的新材料”。同期《Science》觀點(diǎn)欄目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”為題發(fā)表了評述（Science 2023, 380, 1216-1218），評述稱“通過整合不同尺度的原理——從鉸鏈的整體結(jié)構(gòu)到單個晶體的原子結(jié)構(gòu)——孟等人揭示了大自然如何主要從脆性成分中創(chuàng)造出抗疲勞、可彎曲、有彈性的結(jié)構(gòu)。這些跨尺度原理要求在最精細(xì)的尺度上精確，而軟體動物如此精確地沉積殼的細(xì)胞和分子機(jī)制是一個正在探索的領(lǐng)域”；“匹配生物精細(xì)控制對于對生物啟發(fā)材料感興趣的人類工程師來說是一個特別的挑戰(zhàn)，正如開發(fā)模仿珍珠質(zhì)強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料所面臨的困難所證明的那樣”；“盡管孟等人研究的力學(xué)性能與這種特殊生物體的需求相匹配，這些原理如何在更廣泛的系統(tǒng)范圍內(nèi)得到完善，這是令人興奮的前景。”
論文共同第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士研究生孟祥森，近代力學(xué)系周立川博士（現(xiàn)就職于合肥工業(yè)大學(xué)）、化學(xué)系劉蕾博士。我校俞書宏院士、吳恒安教授和茅瓅波副研究員為論文通訊作者。
雙殼綱動物褶紋冠蚌（Cristaria plicata）又稱雞冠蚌，是一種常見的淡水蚌類。為了滿足生存需求（濾食、運(yùn)動等），其外殼在一生中需要進(jìn)行數(shù)十萬次的開合運(yùn)動，而連接兩片外殼的鉸鏈部位也會經(jīng)歷反復(fù)的受壓和變形，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐疲勞性能。本工作中，研究人員揭示了鉸鏈部位中的折扇形礦物硬組織所蘊(yùn)含的跨尺度耐疲勞設(shè)計(jì)原理。從計(jì)算機(jī)斷層掃描圖（CT）和剖面光學(xué)照片可以看出，鉸鏈可以分為兩個不同的區(qū)域：外韌帶(OL)和折扇形礦物硬組織(FFR)（圖1，A和B）。研究人員首先觀察了這兩個區(qū)域在雙殼開合過程中的運(yùn)動行為（圖1，D和E），并結(jié)合有限元分析(FEA)，明晰了不同區(qū)域所承擔(dān)的力學(xué)角色。在閉合過程中，OL發(fā)生拉伸，承擔(dān)主要的周向應(yīng)力并儲存大部分彈性應(yīng)變能；FFR區(qū)域在周向彎曲變形，并在受限的徑向變形下提供強(qiáng)有力的徑向支撐用以固定OL（圖1，F(xiàn)到H）。
圖1（A）褶紋冠蚌和截面照片；（B）鉸鏈切片照片和CT重構(gòu)圖；（C）在正常開合和過載狀態(tài)下的疲勞測試結(jié)果；（D）開合前后鉸鏈各區(qū)域形狀變化及其輪廓圖；（E）有限元模型對應(yīng)的開合前后的鉸鏈各區(qū)域形狀變化及其輪廓圖；（F）鉸鏈有限元分析模型示意圖；（G）開合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域周向應(yīng)力分布；（H）開合狀態(tài)下鉸鏈各區(qū)域徑向應(yīng)力分布。
研究人員對FFR在不同尺度上的觀察發(fā)現(xiàn)，其具有跨尺度多級結(jié)構(gòu)特征。在宏觀尺度上，F(xiàn)FR的扇形外形能使其在OL和外殼之間實(shí)現(xiàn)有效的載荷傳遞。進(jìn)一步的深入觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FR由彈性有機(jī)基質(zhì)和嵌入其中的脆性文石納米線組成。文石納米線直徑約為100-200納米，線的長軸方向在形貌上和扇形的徑向方向一致，在晶體學(xué)上納米線沿002晶向取向（圖2，A到H）。考慮到文石晶體在002晶向的壓縮模量遠(yuǎn)大于其他晶向，這種微觀形貌和晶體學(xué)取向上的一致性意味著FFR能有效地為OL的拉伸提供支撐（圖2，I和J）。這一結(jié)果也通過壓縮力學(xué)和FEA模擬進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。此外，F(xiàn)EA模擬結(jié)果顯示，這種微米尺度上的軟硬復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)在壓縮、拉伸、剪切三種受力狀態(tài)下能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)變形，在這個過程中有機(jī)基質(zhì)承擔(dān)了大部分的壓縮和剪切應(yīng)變，極大地減少了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中，從而避免了文石納米線側(cè)向斷裂，降低了FFR發(fā)生疲勞損傷的可能性。
圖2（A）FFR在縱向上的自然斷面掃描圖；（B）FFR在橫向上的自然斷面掃描圖；（C和D）FFR脫鈣處理之后的掃描圖；（E和F）文石納米線中的孿晶結(jié)構(gòu)透射電子顯微圖片；（G和H）文石納米線沿長度方向上的晶體學(xué)特征；（I和J）整個FFR中納米線在形貌上和晶體學(xué)上的取向分析示意圖。
從FFR的橫截面觀察，文石納米線呈近似六邊形，研究人員通過高分辨透射電子顯微鏡也在納米線中發(fā)現(xiàn)了納米孿晶結(jié)構(gòu)，考慮到文石納米線沿002方向生長，這一結(jié)構(gòu)可能與文石晶體Pmcn空間群易形成（110）孿晶界密切相關(guān)。這種沿納米線縱向方向的孿晶結(jié)構(gòu)的存在，在納米尺度上大大強(qiáng)化了納米線抗彎曲斷裂的能力（圖2，E和F）。與典型的天然硬質(zhì)生物礦物材料（如骨骼、牙釉質(zhì)）以及人工材料（如金屬、水凝膠）等相比，F(xiàn)FR所展現(xiàn)的特殊之處在于它能在承擔(dān)較大周向變形的同時，保持長時間的結(jié)構(gòu)功能的穩(wěn)定。這項(xiàng)研究從宏觀到微納米尺度上揭示了FFR的跨尺度多級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（圖3）。
圖3典型生物和人工結(jié)構(gòu)材料的耐疲勞設(shè)計(jì)機(jī)制。FFR中所具備的跨尺度結(jié)構(gòu)特征使其在可變形能力上明顯優(yōu)于典型的生物礦物如牙釉質(zhì)和骨骼，與常見的人工彈性體材料相比，F(xiàn)FR也一定程度保持了其高硬度和剛度。
這項(xiàng)研究揭示了含脆性基元的生物礦物材料在較大形變下的耐疲勞設(shè)計(jì)新機(jī)制，填補(bǔ)了國際上含脆性組元的仿生耐疲勞材料設(shè)計(jì)的空白，所提出的整合跨尺度結(jié)構(gòu)特征與功能特性的設(shè)計(jì)策略，能夠在不同尺度上充分發(fā)揮每種成分的固有特性，從而實(shí)現(xiàn)材料整體性能的優(yōu)化。這種兼顧變形性和耐疲勞性的跨尺度設(shè)計(jì)原則有望為未來功能材料的仿生設(shè)計(jì)和創(chuàng)制提供嶄新思路。
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和中國科學(xué)院青促會等項(xiàng)目的資助支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038
Featured by Science Perspectives:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5939
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
（原標(biāo)題：中國科大揭示淡水河蚌鉸鏈中可變形硬組織耐疲勞機(jī)理的研究取得突破性進(jìn)展）
關(guān)鍵詞：
您可能也感興趣:
今日熱點(diǎn)
為您推薦
充要條件與必要條件關(guān)系圖_充要條件與必要條件-動態(tài)焦點(diǎn)
2023-06-23 23:35:01
少林派武功秘籍_少林派 武術(shù)門派_快看
2023-06-23 23:35:01
紐泰轉(zhuǎn)債（代碼123201）申購指南
2023-06-23 23:35:01
更多
- 北京高溫，用電激增！空調(diào)等用電占總負(fù)荷的35% 環(huán)球動態(tài)
- 618大戰(zhàn)閉幕，OPPO真實(shí)成績曝光，這樣的表現(xiàn)我看呆了
- 世界短訊！環(huán)球影城的粉絲幫助超級任天堂世界變得栩栩如生
- 雷蒙德詹姆斯公司：維持Leap Therapeutics(LPTX.US)評級
- 優(yōu)化營商環(huán)境青島在行動 | 營商環(huán)境“三支隊(duì)伍”覆蓋24條產(chǎn)...
- 世界實(shí)時：東營事業(yè)編考試 東營事業(yè)編考試時間2022
- 全球新動態(tài)：百菲酪關(guān)于水牛奶的加工工藝與制作方法
- 【世界報資訊】上期殺10碼全中！雙色球第23072期授漁看彩預(yù)測...
更多
- 保羅顛沛流離！勇士為萌神拼了，圣保羅替換水貨，庫里劍指得...
- 【環(huán)球新視野】北約空軍軍演結(jié)束，系其有史以來規(guī)模最大空中...
- 全球看熱訊：資產(chǎn)負(fù)債率計(jì)算公式是什么意思 資產(chǎn)負(fù)債率計(jì)算...
- 全球觀速訊丨在職場中，如何做好人際溝通，提升自己的溝通能力？
- 要聞速遞：林俊杰也有大瓜？搞笑男演員有私生子？辰亦儒汪東...
- 新款豐田Mirai上市，售價74.8萬的氫能源汽車你買嗎？_每日觀察
- 環(huán)球快資訊：2023優(yōu)秀大學(xué)生社會實(shí)踐心得感悟
- 官宣！陳國豪正式參加CBA選秀，寧波or四川？朱芳雨該出手了_...
排行
- 弘揚(yáng)端午文化 傳我濃情粽香——開江縣長嶺小學(xué)舉辦關(guān)愛留守...
- 報告顯示：海上油氣生產(chǎn)已經(jīng)成為國家重要的能源增長極
- 北京新機(jī)場完成首次真機(jī)驗(yàn)證 試飛成功
- 網(wǎng)絡(luò)個人求助如何用民法、刑法等法律約束
- 中國信息消費(fèi)領(lǐng)域創(chuàng)新活躍 新模式快速涌現(xiàn)
- 國內(nèi)發(fā)明專利擁有量達(dá)160.2萬件
- 浙江再推20條有望助企業(yè)減負(fù)降本超過2000億元
- “軟硬”兼施促發(fā)展 發(fā)揮多種主體積極性
- “雙G雙提” 提速擴(kuò)容兩不誤
- 王府井沉浮錄：從雜貨市場到“金街”
最近更新
- 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)河蚌鉸鏈脆性成分中的抗疲勞結(jié)構(gòu)_全球視訊
- 新華全媒+｜日本民眾集會反對核污染水排海 全球微速訊
- 鄭州：5月新房銷售面積環(huán)比增加39.5% 銷售均價環(huán)比降低17.6%
- 今日美原油期貨價格行情查詢（2023年6月23日）_全球動態(tài)
- 彩生活(01778)：陳新禹辭任執(zhí)行董事
- 美媒文章：西方經(jīng)濟(jì)認(rèn)知全面崩塌
- 【環(huán)球熱聞】馬塞洛曬照為齊達(dá)內(nèi)慶生：祝你生日快樂，齊達(dá)內(nèi)...
- 天天資訊：近訪中國香港賽艇隊(duì)備戰(zhàn)杭州亞運(yùn)會
- 山東第一醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院整形外科哪個醫(yī)生醫(yī)術(shù)好
- 濃濃粽香迎端午 悠悠深情銘黨恩
- 金庸群俠傳2武功傷害表_金庸群俠傳2武功傷害
- 全球微頭條丨豐田紅杉論壇汽車之家_豐田紅杉和陸地巡洋艦
- 簡報的寫法（歡迎大家一起來閱讀吧）-頭條焦點(diǎn)
- 葛斯齊回應(yīng)瘦子提告，自己未陳述任何細(xì)節(jié)，以查證角度采訪S小...
- 網(wǎng)絡(luò)中國節(jié)|南陽“游園憶端午青春頌華章”圓滿成功
- 當(dāng)前簡訊:[視頻]大美中國
- 仙劍奇?zhèn)b傳5最強(qiáng)裝備有哪些，仙劍奇?zhèn)b傳5最強(qiáng)裝備介紹|最新消息
- 北京高溫，用電激增！空調(diào)等用電占總負(fù)荷的35% 環(huán)球動態(tài)
- AI 入局世界網(wǎng)球溫布頓錦標(biāo)賽，可分析贏球概率及生成球評 ...
- 世界聚焦：微軟稱《紅霞島》銷量極低 但并未公布具體數(shù)字
- Framework 16 英寸模塊化筆記本新進(jìn)展：官方曬外殼骨架
- 白玉蘭獎最佳海外劇：《1985》《婚姻生活》|當(dāng)前快看
- 林肯港鸚鵡的壽命_林肯港鸚鵡小知識
- 天力復(fù)合：與吉林碳谷、硅烷科技、民士達(dá)的共性與區(qū)別
- 來獅山“睇波”！6月24日晚，東莞莞聯(lián)vs山東泰山｜免費(fèi)送門票...
- 端午“粽”頭戲 海口秀英區(qū)推出三條假期旅游線路|每日看點(diǎn)
- 仰望U8上市時間提前：8月上市 9月交付第一批！|焦點(diǎn)速遞
- 中方代表在人權(quán)理事會敦促日本就核污染水問題正視國際社會關(guān)...
- 酷狗聽歌識曲下載安裝-酷狗聽歌識曲網(wǎng)頁版-今日快訊
- 小米mee7拆機(jī)教程-小米mee7
今日要聞
- 北京高溫，用電激增！空調(diào)等用電占總負(fù)荷的35% 環(huán)球動態(tài)
- 45歲美國海歸夫妻闖關(guān)科創(chuàng)板IPO，海博思創(chuàng)引入30余家戰(zhàn)投-每日熱聞
- 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)河蚌鉸鏈脆性成分中的抗疲勞結(jié)構(gòu)_全球視訊
- 6月21日基金凈值：景順長城產(chǎn)業(yè)趨勢混合最新凈值0.652，跌1.79% 天天熱資訊
- 天天微動態(tài)丨玩游戲選擇4080水冷游戲本 噪音小體驗(yàn)佳
- 視點(diǎn)！運(yùn)能強(qiáng) 跑得順 停得穩(wěn) 青藏鐵路將邁入動車時代
- 快訊：環(huán)球新材國際(06616)正在與獨(dú)立第三方討論可能的業(yè)務(wù)收購 6月23日下午復(fù)牌
- 廣發(fā)證券：A股23年是修復(fù)市 注重投資范式的變化_世界熱消息
- 俄稱打擊外國武器倉庫 烏稱打擊俄軍目標(biāo) 世界觀點(diǎn)
- 南方強(qiáng)降雨持續(xù) 北方有超40℃高溫天氣_天天新要聞