脆性材料四肢结构或功能部件被庸碌运用于航空航天、电子器件和组织工程等规模。由于东说念主工脆性材料对微裂纹和不易察觉的劣势很敏锐，在长时间的轮回载荷作用下，材料很容易蕴蓄毁伤产生疲劳裂纹，进而存在失效的风险。跟着可折叠衣裳缔造的发展，对具有高疲劳抗性的可变形功能材料的需求日益突显。通过效法典型的生物矿物材料如珍珠母、骨骼等的结构假想不错擢升脆性材料疲劳抗性，但这常依赖于疲劳裂纹膨胀经由中增韧行径，可是一朝裂纹运转膨胀，就会对器件的性能产生不行逆的影响，因此寻找并征战新的耐疲劳结构模子对异日可变形功能材料的假想制备具有迫切的科学意念念和运用价值。

2023年6月22日，中国科学手艺大学俞书宏院士团队和吴恒安教会团队互助在Science在线发表题为“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalveCristaria plicata”的商谈论文，该商讨胜仗揭示了双壳纲褶纹冠蚌搭钮内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制，建议了一种多模范结构假想与身分固有特点相皆集的耐疲劳假想新策略，为异日耐疲劳结构材料的合理创制发展提供了新的想法。

审稿东说念主评价称：“这份手稿展示了一个很是意念念的使命”、“这是一份令东说念主怡悦的稿件。它集成了诸多表征手艺来融会双壳纲搭钮组织的权臣疲劳抗性”、“这无疑激励了对生物复合材料的进一步商讨，以假想抗疲劳性能增强的新材料”。同期Science不雅点栏目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”为题发表了辩驳，辩驳称“通过整合不同模范的旨趣——从搭钮的全体结构到单个晶体的原子结构——该著作揭示了大当然怎样主要从脆性身分中创造出抗疲劳、可迂曲、有弹性的结构。这些跨模范旨趣条目在最细巧的模范上精准，而软体动物如斯精准地千里积壳的细胞和分子机制是一个正在探索的规模”；“匹配生物细巧狂放关于对生物启发材料感深嗜的东说念主类工程师来说是一个额外的挑战，正如征战效法珍珠质强度和韧性的复合材料所面对的可贵所说明的那样”；“尽管该商讨的力学性能与这种特殊生物体的需求相匹配，这些旨趣如安在更庸碌的系统率域内获取完善，这是令东说念主怡悦的远景。”

双壳纲动物褶纹冠蚌（Cristaria plicata）又称鸡冠蚌，是一种常见的淡水蚌类。为了舒适糊口需求（滤食、畅通等），其外壳在一世中需要进行数十万次的开合畅通，而勾搭两片外壳的搭钮部位也会阅历反复的受压和变形，阐扬出优异的耐疲劳性能。本使命中，商讨东说念主员揭示了搭钮部位中的折扇形矿物硬组织所蕴含的跨模范耐疲劳假想旨趣。从规划机断层扫描图（CT）和剖面光学相片不错看出，搭钮不错分为两个不同的区域：外韧带(OL)和折扇形矿物硬组织(FFR)（图1，A和B）。商讨东说念主员领先不雅察了这两个区域在双壳开合经由中的畅通行径（图1，D和E），并皆集有限元分析(FEA)，显露了不同区域所承担的力学变装。在闭合经由中，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区域在周向迂曲变形，并在受限的径向变形下提供强有劲的径向复旧用以固定OL（图1，欧博会员平台F到H）。

图1（A）褶纹冠蚌和截面相片；（B）搭钮切片相片和CT重构图；（C）在平时开合和过载现象下的疲劳测试成果；（D）开合前后搭钮各区域格局变化偏执空洞图；（E）有限元模子对应的开合前后的搭钮各区域格局变化偏执空洞图；（F）搭钮有限元分析模子表现图；（G）开合现象下搭钮各区域周向应力漫步；（H）开合现象下搭钮各区域径向应力漫步。

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商讨东说念主员对FFR在不同模范上的不雅察发现，其具有跨模范多级结构特征。在宏不雅模范上，FFR的扇形外形能使其在OL和外壳之间完了存效的载荷传递。进一步的长远不雅察发现，FFR由弹性有机基质和镶嵌其中的脆性文石纳米线构成。文石纳米线直径约为100-200纳米，线的长轴办法在描述上和扇形的径向办法一致，在晶体学上纳米线沿002晶向取向（图2，A到H）。探究到文石晶体在002晶向的压缩模量巨大于其他晶向，这种微不雅描述和晶体学取朝上的一致性意味着FFR能有用地为OL的拉伸提供复旧（图2，I和J）。这一成果也通过压缩力学和FEA模拟进行了进一步的考据。此外，FEA模拟成果显露，这种微米模范上的软硬复合微不雅结构在压缩、拉伸、剪切三种受力现象下大要进行融合变形，在这个经由中有机基质承担了大部分的压缩和剪切应变，极地面减少了材料里面的应力聚集，从而幸免了文石纳米线侧向断裂，裁减了FFR发生疲劳毁伤的可能性。

图2（A）FFR在纵朝上的当然断面扫描图；（B）FFR在横朝上的当然断面扫描图；（C和D）FFR脱钙无间之后的扫描图；（E和F）文石纳米线中的孪晶结构透射电子显微图片；（G和H）文石纳米线沿长度方朝上的晶体学特征；（I和J）统统这个词FFR中纳米线在描述上和晶体学上的取向分析表现图。

从FFR的横截面不雅察，文石纳米线呈相通六边形，商讨东说念主员通过高诀别透射电子显微镜也在纳米线中发现了纳米孪晶结构，探究到文石纳米线沿002办法孕育，这一结构可能与文石晶体Pmcn空间群易变成（110）孪晶界密切关连。这种沿纳米线纵向办法的孪晶结构的存在，在纳米模范上大大强化了纳米线抗迂曲断裂的智商（图2，E和F）。与典型的自然硬质生物矿物材料（如骨骼、牙釉质）以及东说念主工材料（如金属、水凝胶）等比较，FFR所展现的特殊之处在于它能在承担较大周向变形的同期，保合手长时间的结构功能的牢固。这项商讨从宏不雅到微纳米模范上揭示了FFR的跨模范多级结构假想原则（图3）。

图3典型生物和东说念主工结构材料的耐疲劳假想机制。FFR中所具备的跨模范结构特征使其在可变形智商上较着优于典型的生物矿物如牙釉质和骨骼，与常见的东说念主工弹性体材料比较，FFR也一定进度保合手了其高硬度和刚度。

这项商讨揭示了含脆性基元的生物矿物材料在较大形变下的耐疲劳假想新机制，填补了外洋上含脆性组元的仿生耐疲劳材料假想的空缺，所建议的整合跨模范结构特征与功能特点的设战略略，大要在不同模范上充分阐扬每种身分的固有特点，从而完了材料全体性能的优化。这种兼顾变形性和耐疲劳性的跨模范假想原则有望为异日功能材料的仿生假想和创制提供了簇新念念路。

论文共同第一作家为中国科学手艺大学合肥微模范物资科学国度商讨中心博士商讨生孟祥森，近代力学系周立川博士（现履新于合肥工业大学）、化学系刘蕾博士。中国科学手艺大学俞书宏院士、吴恒安教会和茅瓅波副商讨员为论文通信作家。该商讨获取了国度要点研发贪图、新基石科学基金会、国度当然科学基金要点样式和中国科学院青促会等项商量资助支合手。

注：分解参考自中国科学手艺大学官网先容。

分解贯穿：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/83731.htm

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi5939

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