柔性耐疲劳材料设计有了新思路

你是否使用过折叠手机?是否想尝试折叠屏却又担心折痕?来自大自然的力量将会解决这个问题。江河湖泊中随处可见的河蚌，一生需要进行数十万次重复的开合运动，却能一直保持稳定状态不发生形变，其双壳连接背脊处发挥关键作用的“铰链”——贝脊给了科学家灵感。

记者23日从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队成功揭示了河蚌“铰链”内的可变形生物矿化组织的耐疲劳机制，发现了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的抗疲劳新策略。该研究成果于6月23日发表在《科学》上。

研究人员探明了河蚌“铰链”中折扇形组织的设计原理，发现这种生物组织可以在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间，能承受较大的变形，同时可以长期保持结构和功能的稳定，即使经过150万次循环，这种生物组织仍能稳定发挥作用并且没有表现出明显的疲劳行为。

为研究这种生物材料的组成、结构以及这二者与材料最终性能之间的关系，研究团队利用数学近似的方法对河蚌“铰链”在变形过程中的状态进行模拟。铰链区域可以分为两个不同的区域：外韧带(OL)和折叠扇形矿物组织区域(FFR)。在双壳闭合过程中，OL发生拉伸，承担主要的周向应力并储存大部分弹性应变能;FFR区域沿周向弯曲变形，并在受限的径向变形下提供强大径向支撑固定OL。研究人员揭示了这一从宏观到微纳米尺度的多级结构设计，这种设计原则赋予了该组织高变形性、高耐疲劳性。

该项研究为今后柔性功能材料的组装设计提供了一种全新的仿生模型，为延长材料使用寿命提供了新的解决方案，对未来柔性耐疲劳材料的研制具有重要的指导意义。

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