【羊城晚报】“矛与盾”终于“握手言和” ——中科大研究者从自然界得到启示,设计出高韧性复合材料 2020-07-07

DFB复合材料的3D打印设计图(中科院官网图片)

螳螂虾在捕食贝壳 (资料图片)

□那拉

我们都听过“自相矛盾”的成语故事。不少人或许一直很好奇,这个出自于《韩非子·难一》的典故中,那个卖矛又卖盾的楚国人最终有没有用自己的矛刺自己的盾?结果又究竟会怎样呢?

最近,中国科学技术大学研究者们的一项实验结果或许可以为我们解开部分谜团——他们研究了自然界中一对“矛盾”关系的生物螳螂虾与珍珠贝的生态行为,并从中得到一种“矛与盾”式的生物竞争的启发,设计出一种高韧性复合材料,未来或可用于各种需要增韧的建筑材料。

“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象

生物界像“矛”与“盾”般存在着的捕食者与被捕食者不少,它们之间的生存竞争也很常见。“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象就是其中的一种。

螳螂虾为肉食性动物,多捕食小型无脊椎动物,包括各种贝类、螃蟹、海胆等。生物学家表示,螳螂虾在动物界的攻击速度排行榜上名列第二,它有一对强有力的夹子,攻击力仅次于兵蚁的大颚。它发动攻击时可击碎玻璃,甚至能夹断人的手指。部分品种的螳螂虾甚至在身体下面藏着一对能以60公里时速出击的“锤”,可以在10万分之一秒内将锤弹射出去,弹射的冲击力度最高能达到60千克,其瞬间因摩擦产生的高温甚至能让周围的水冒出电火花。它的这种猛烈攻击,可以瞬间毁掉带壳的蟹的神经系统并使其当场毙命,然后它会用头下带倒刺的臂飞快地刺向食物——这一点颇像螳螂,它也因此得名。

而贝类多为软体动物,大部分都要靠贝壳来保护自己。因此它们的外壳不能不足够坚硬。它们与螳螂虾的关系,也可以说是一种“矛”与“盾”的关系。

“矛”与“盾”究竟谁能赢

在螳螂虾捕食贝壳的这场生存竞争中,“矛”与“盾”究竟谁能赢呢?多数情况下,当然还是“矛”会战胜“盾”。

但研究者发现,捕食者螳螂虾(此关系中为“矛”)的“盔甲”内存在一种扭转结构,可促使裂纹偏转增韧,即如果在敲击时甲壳出现裂纹,也会因这种扭转结构而让裂纹不会顺势越裂越大,从而令甲壳相比其他生物更坚韧;被捕食者贝壳(此关系中为“盾”)的外壳内则存在一种“砖泥”交错构型,即可以通过“砖块”的滑移来促进裂纹通过“桥联”增加韧性。这两者其实都是非常有代表性的高韧性生物材料结构——这一点也的确与“矛”和“盾”存在可比性。

为什么自然界中生物材料扭转结构具有特定的螺旋角大小和扭转角分布?为什么“矛”会战胜“盾”呢?应该说,这是大自然造物的神奇之处,显然也是生物界优胜劣汰的自然进化结果。

而在“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发下,中国科学技术大学教授倪勇、何陵辉研究团队与合作者,最终将螳螂虾大夹子的扭转结构与贝壳珍珠层内的“砖泥”交错结构相结合,利用3D打印技术,设计出了一种“高断裂韧性和对裂纹取向不敏感的非连续纤维扭转”的复合结构,并提出“断裂力学模型揭示了裂纹取向不敏感、裂纹扭转和纤维桥联协同的增韧机制”,给出了具有“最优断裂韧性”的此类复合材料结构的参数化设计策略。6月22日,相关研究成果已发表在PNAS专业期刊上。

该研究揭示了生物材料优异断裂韧性的一种微结构起源,也为高性能先进复合材料的制备,提供了新的仿生结构设计思路和性能优化的参数选择原理。

现在我们或许已能想像《自相矛盾》故事中的结局究竟会怎样了吧?


《羊城晚报》 (2020年07月06日)

http://ep.ycwb.com/epaper/ycwb/html/2020-07/06/content_10_285810.htm



     
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