中国科学技术大学俞书宏院士今日Science！

【导读】

众所周知，从灾难性的桥梁倒塌到工业设备损坏，再到塑料闩锁的普通折断，当结构因疲劳（由反复应力引起的损坏累积）而失效时，结构可能会断裂。疲劳不仅是人工结构的问题，也是生物体的问题。跑步、跳跃、咀嚼、飞行，这些生活中的许多活动都涉及重复的负荷，可能导致疲劳衰竭，导致受伤或死亡，这给避免和修复疲劳引起的损伤带来了很高的进化压力。生物矿化组织（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。与这些相对刚性的结构不同，双壳类褶纹冠蚌的铰链（又被称之为鸡冠蚌、湖蚌、绵蚌）是一种坚固的，可弯曲的生物矿化结构的多尺度结构。具体来说，贻贝和其他双壳类（如牡蛎、蛤蜊和扇贝）构建了一个由两个圆顶阀组成的外壳，这两个圆顶阀由铰链连接，这面临着相当大的结构挑战。阀门打开用于进食和繁殖，并在动物受到威胁时关闭。利用壳内的肌肉，双壳类可以将瓣膜拉在一起，安全地封闭生物体的身体。然而，由于肌肉不能推动，动物不能用它们来强制打开瓣膜。相反，当阀门关闭时，铰链会储存弹性能量，以便当动物放松肌肉时，弹性反弹会导致阀门重新打开。双壳类在一天中反复打开和关闭瓣膜，在某些物种中，可以活数百年，因此疲劳是一种潜在的危险。

【成果掠影】

在此，中国科学技术大学俞书宏院士，吴恒安教授和茅瓅波副研究员（通讯作者）以双壳类褶纹冠蚌的铰链为研究基础，表明褶纹冠蚌的铰链可以承受大约1500000次典型的载荷循环（相当于每分钟一个循环持续近3年），而不会受到疲劳损伤，揭示了这种抗疲劳性的工作原理。研究表明，铰链作为一个厚实的半圆形拱形，其内部部分形成“折叠扇区”和沿其外围边缘的弹性“外韧带”。在每一端，拱门都连接到从其中一个阀门延伸的刚性基础。当贻贝的肌肉收缩和瓣膜关闭时，足弓的基础会旋转。当基础旋转时，拱形折叠扇区域保持其径向尺寸，但圆周变形，内边缘压缩，外边缘扩展。这会拉伸外韧带并允许它充当弹簧，储存弹性能量，在肌肉放松时将铰链恢复到初始配置。因此，外韧带的能量存储要求折叠风扇区域在圆周上变形，但在径向上保持形状，并且这两个特征都必须具有抗疲劳性。

相关研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalveCristaria plicata”为题发表在Science上。

【核心创新点】

1.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揭示了自然界由脆性部件到抗疲劳，可弯曲，弹性结构的演变过程。

2.作为概念的初步验证，作者通过将玻璃纤维嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）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多尺度原则仍然是一个持续存在的问题。

【数据概览】

图一、铰链的结构特征和力学性能© 2023 AAAS

图二、运动的传输关系© 2023 AAAS

图三、微观结构和晶体学特征© 2023 AAAS

图四、原位应力状态分析© 2023 AAAS

图五、基于生物和人工的抗疲劳材料设计原理示意图© 2023 AAAS

【成果启示】

综上所述，作者基于折叠扇形区域（FFR）和外韧带（OL）两大区域，揭示了铰链上FFR的层次结构设计，其从宏观层次一直延伸到晶格层面，这种设计不是孤立的抗疲劳机制的简单积累，相反每个方面协同工作。FFR显著的变形性和荷载平移能力源于分层结构，这是任何仅在几个长度尺度上起作用的特定机制都无法实现的。FFR的功能性和抗疲劳性相结合，说明了如何通过利用每个组件的内在特性来延长材料的使用寿命。

文献链接：“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalveCristaria plicata”（Science，2023，10.1126/science.ade2038）

本文由材料人CYM编译供稿。