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科研进展

2021年05月08日
动物外骨骼“矛”和“盾”中优化的多层结构和力学、化学梯度

生物界中存在许多梯度结构设计的攻击与防御“工具”。这些梯度材料为我们提供了多个仿生材料设计原理。近期,中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验室骆天治教授团队与武汉大学王正直副教授、张作启教授合作,研究了具有防御功能的螳螂虾尾刺(矛)和寄居蟹左螯(盾)。综合利用多种实验手段揭示了从纳米尺度到厘米尺度的化学梯度、微观结构和力学性能之间的相关性,并通过有限元分析和3D打印技术确认了两种结构中的增韧机制和结构优化原理。相关成果分别以“Optimized Hierarchical Structure and Chemical Gradients Promote the Biomechanical Functions of the Spike of Mantis Shrimps”和“Multi-scale design of the chela of the hermit crabCoenobita brevimanus”为题,发表在近期的学术期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》和《Acta Biomaterialia》上。

图1. 尾刺结构信息与横截面的局部力学性质

螳螂虾尾刺的外骨骼包括四个不同的结构层,每层都具有不同的微观结构和化学成分特征。这些层状结构的局部力学性能与微结构和化学成分密切相关,几者的组合有效地限制了裂纹的扩展,同时最大限度地释放了变形过程中的应变能,提高了结构的整体韧性和强度。

图2 .基于尾刺微结构设计的3D打印样品的单轴压缩实验.

研究人员使用3D打印技术制备了多个尾刺的仿生微结构,通过力学测试验证了Bouligand结构与径向的平行层状结构的组合能极大地提高结构总体韧性和强度这一设计理念。这为制备高强高韧的仿生复合材料提出了一条新的路径。

图3 .寄居蟹左螯中的化学和力学梯度.

寄居蟹左螯的外骨骼分为五层。同样,这些层状结构的局部力学性能与微结构和化学成分也密切相关。特别是结构中三维正交排列的己丁质纤维通过桥接和拔出机制有效地提高了材料的断裂韧性。

图4.寄居蟹左螯中的宏观结构和层状力学梯度优化了结构的抗冲击性能.

左螯穹顶状形貌的局部曲率和三明治状的层间力学性能分布,从整体上为其抗击外部攻击提供了优化的力学性能,极大的降低了结构的变形和界面应力,展示了有效的防护功能。这为抗冲击结构的优化设计提供了一种思路。

两篇文章的第一作者分别是中国科学技术大学近代力学系博士生李珊和硕士生林伟钦。骆天治教授、王正直副教授和张作启教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金和安徽省重大科技专项的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c02867

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.012


(工程科学学院、科研部)

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