世界快消息！Science：俞書宏院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)河蚌鉸鏈耐疲勞秘密，為新型柔性耐疲勞材料設(shè)計(jì)提供新思路

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合吳恒安教授團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了題為：Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata的研究論文。

該研究成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機(jī)制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理設(shè)計(jì)和制備提供了新的見解。

(相關(guān)資料圖)

為什么要研究普普通通的河蚌呢？

“我們要向自然學(xué)習(xí)”，俞書宏院士表示，“通過解析自然材料，特別是生命體所創(chuàng)造的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物材料，搞清楚包括它的組成、結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，用于指導(dǎo)我們?cè)诜律I(lǐng)域開展更多的探索研究”。正是因?yàn)橛釙暝菏刻岢龅莫?dú)特研究思路和視角，他獲得了新基石科學(xué)基金會(huì)的資助，入選首批新基石研究員。

俞書宏院士及其團(tuán)隊(duì)早在2016年，就模仿雙殼綱軟體動(dòng)物合成天然珍珠母的“砌墻式”策略，提出一種新的“組裝與礦化”聯(lián)用的介觀組裝合成方法，從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學(xué)組分，在國際上首次成功礦化合成了人工珍珠母材料，相比于天然珍珠母長達(dá)數(shù)月的形成周期，人工珍珠母合成只需要兩周左右的時(shí)間，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science期刊。俞書宏院士表示，通過對(duì)生物材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)致觀察和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)多級(jí)有序結(jié)構(gòu)對(duì)材料宏觀性能的提升能起到至關(guān)重要的作用。

“有所發(fā)現(xiàn)”、“有所發(fā)明”、“有所創(chuàng)造”，俞書宏院士用這三個(gè)詞總結(jié)了團(tuán)隊(duì)的期待和目標(biāo)，“這是我們仿生材料研究團(tuán)隊(duì)的科研理念。首先是有所發(fā)現(xiàn)，要學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)自然界神奇的生物材料的特殊性質(zhì)，通過解析天然材料結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，能夠幫助我們明晰新材料的創(chuàng)制與設(shè)計(jì)理念，接著要有所發(fā)明，將提取的設(shè)計(jì)原理用于仿生材料的制備合成，最后有所創(chuàng)造，通過將從自然材料結(jié)構(gòu)解析中獲得的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念交叉融合，力求創(chuàng)制出全新的人工材料，并將研究成果應(yīng)用到實(shí)際材料的創(chuàng)制中，以提升材料性能”。

此外，在仿生材料研究領(lǐng)域，除了需要懂得化學(xué)材料相關(guān)知識(shí)，也需要對(duì)生物學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的知識(shí)有所掌握。這也是研究的難點(diǎn)之一，要求研究人員具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉能力。俞書宏院士說，“天然材料，特別是生物材料，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在研究的時(shí)候需要我們具有跨學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備?！?/p>

“人工材料難在制備，自然材料難在解析”，茅瓅波副研究員說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從宏觀尺度直達(dá)分子尺度。想要把如此復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)以及性能之間的聯(lián)系說清楚，十分具有挑戰(zhàn)性?！?/p>

這項(xiàng)研究持續(xù)了十余年，從2013年就已經(jīng)在俞書宏院士的指導(dǎo)下開始進(jìn)行。2015年茅瓅波副研究員從他的師兄劉蕾那里接過這項(xiàng)工作，繼續(xù)開展河蚌鉸鏈的解析，但一直認(rèn)為沒有達(dá)到俞書宏院士期望的完成度。2017年，茅瓅波博士畢業(yè)后，和同年入學(xué)的師弟孟祥森開始合作繼續(xù)推進(jìn)這一研究工作，沒想到一做又是六年。在長達(dá)近十年的研究工作中，是俞書宏院士對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)長期研究的堅(jiān)守和信心，為工作的開展提供了最好的條件和保障，這也與他一貫提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做從0到1的科研”的科研理念高度一致，正是俞書宏院士對(duì)科研方向的遠(yuǎn)見、傳承和堅(jiān)持，最終才能夠取得又一突破性的成果。

在研究過程中，團(tuán)隊(duì)也遇到了非常多的困難。

十年前測試儀器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)于材料精細(xì)結(jié)構(gòu)表征的要求，直到近些年國家和學(xué)校在這方面的投入加大，給了研究團(tuán)隊(duì)更好的平臺(tái)條件去達(dá)到想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。在研究鉸鏈微觀結(jié)構(gòu)過程中，需要分析材料各個(gè)微區(qū)的晶體學(xué)取向，這需要用X射線單晶衍射儀連續(xù)做幾百次測試。為此，生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心負(fù)責(zé)單晶衍射儀的朱中良老師不僅陪著團(tuán)隊(duì)成員熬夜測試，還主持搭建了一個(gè)自動(dòng)測試平臺(tái)，極大減輕了實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)。

其次，河蚌鉸鏈的解析需要用到非常規(guī)的表征方式，這些都需要研究團(tuán)隊(duì)自己去設(shè)計(jì)和搭建裝置。在這方面，有著豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程學(xué)院博士后鄭東昌提供了極大幫助。盡管團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了很多次的失敗，但俞書宏院士一直都很支持這些原創(chuàng)性的探索，正是經(jīng)過一次次失敗的經(jīng)驗(yàn)積累，最終才能取得完美的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，稱：“這份手稿展示了一個(gè)非常有趣的工作”（The manuscript presents a piece of very interesting work）、“這是一份令人興奮的稿件。它集成了諸多表征技術(shù)來理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”（This was an exciting manuscript. It integrates a lot of different techniques to understand the remarkable fatigue-resistant properties of bivalve hinge tissue）、“這無疑激發(fā)了對(duì)生物復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，以設(shè)計(jì)抗疲勞性能增強(qiáng)的新材料”。(The work certainly motivates further investigation using bio-inspired composites for designing new materials with enhanced fatigue resistance)。

Science期刊還在同期發(fā)表了題為：A bendable biological ceramic的評(píng)述文章，評(píng)述稱“通過整合不同尺度的原理——從鉸鏈的整體結(jié)構(gòu)到單個(gè)晶體的原子結(jié)構(gòu)——孟等人揭示了大自然如何主要從脆性成分中創(chuàng)造出抗疲勞、可彎曲、有彈性的結(jié)構(gòu)。這些跨尺度原理要求在最精細(xì)的尺度上精確，而軟體動(dòng)物如此精確地沉積殼的細(xì)胞和分子機(jī)制是一個(gè)正在探索的領(lǐng)域”；“匹配生物精細(xì)控制對(duì)于對(duì)生物啟發(fā)材料感興趣的人類工程師來說是一個(gè)特別的挑戰(zhàn)，正如開發(fā)模仿珍珠質(zhì)強(qiáng)度和韌性的復(fù)合材料所面臨的困難所證明的那樣”；“盡管孟等人研究的力學(xué)性能與這種特殊生物體的需求相匹配，這些原理如何在更廣泛的系統(tǒng)范圍內(nèi)得到完善，這是令人興奮的前景?！?/p>

如何闡明這種材料的構(gòu)效關(guān)系也是一個(gè)難點(diǎn)。面對(duì)豐富的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)仍然想要更為系統(tǒng)地闡明河蚌鉸鏈組織優(yōu)異耐疲勞性能和可變形能力背后的深層次原因。與俞書宏院士團(tuán)隊(duì)有過長期合作經(jīng)驗(yàn)的工程科學(xué)學(xué)院吳恒安教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)朱銀波副教授、周立川博士等通過定量化建模和多尺度力學(xué)分析最終解決了這個(gè)難題，使得團(tuán)隊(duì)成功揭示了河蚌鉸鏈組織從宏觀到微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。雙方團(tuán)隊(duì)緊密合作，最終給出了貝殼鉸鏈組織的多尺度結(jié)構(gòu)與耐疲勞性能之間的清晰而令人信服的物理圖像描述。

隨著近年來小型智能化的可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢，可以說 “柔性”性能是未來產(chǎn)品開發(fā)的重要方向之一，像折疊屏、折疊手機(jī)已經(jīng)逐漸融入我們的日常生活。但是，要想真正實(shí)現(xiàn)可靠的“柔性”性能，目前還存在亟需解決的問題。

這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略對(duì)于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創(chuàng)制具有普遍的指導(dǎo)意義。

俞書宏院士表示，我們有信心創(chuàng)制一系列的仿生新材料，把傳統(tǒng)材料的性能提升至更高水平。仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設(shè)計(jì)理念，能創(chuàng)制出新的具有更優(yōu)越性能的新材料，在航空航天、特種環(huán)境、防護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的功能和應(yīng)用價(jià)值，這也是團(tuán)隊(duì)未來努力要做的重要方向。

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