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ACS AMI |动物外骨骼“矛”和“盾”中优化的多层结构和力学、化学梯度

发布时(shi)间:2020-07-02

生(sheng)物界中存在许(xu)多梯度结(jie)构设(she)计的(de)攻击与防御工(gong)具。这些梯(ti)度(du)(du)材(cai)料(liao)为我们提(ti)供了多(duo)(duo)个仿生材(cai)料(liao)设(she)计(ji)(ji)原理。近(jin)期,中国科(ke)学(xue)(xue)(xue)技术大学(xue)(xue)(xue)中科(ke)院材(cai)料(liao)力学(xue)(xue)(xue)行为与设(she)计(ji)(ji)重点实验室骆天治教授(shou)(shou)团队与武汉大学(xue)(xue)(xue)王正直副教授(shou)(shou)、张作(zuo)(zuo)启教授(shou)(shou)合作(zuo)(zuo),研究了具有防(fang)御功能(neng)的(de)螳螂虾(xia)尾(wei)刺(矛)和寄居蟹左螯(盾(dun))。综合利用多(duo)(duo)种实验手(shou)段揭示了从纳米尺度(du)(du)到厘米尺度(du)(du)的(de)化学(xue)(xue)(xue)梯(ti)度(du)(du)、微观结(jie)构和力学(xue)(xue)(xue)性能(neng)之间的(de)相关性,并通过(guo)有限元分析(xi)和3D打印技术确认了两种结(jie)(jie)构中的增韧机制和结(jie)(jie)构优化(hua)原理(li)。相关成果分别(bie)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 crab Coenobita brevimanus”为(wei)题,发表在(zai)近期的学术(shu)期刊《》和(he)《Acta Biomaterialia》上。我中心高级工程师田杰也(ye)是这两篇论文(wen)的合作作者。

1. 尾刺结(jie)构信息(xi)与横截面的局部力(li)学性质(zhi)

螳螂虾尾刺的(de)(de)外骨(gu)骼包括(kuo)四个不(bu)同(tong)的(de)(de)结(jie)(jie)构(gou)(gou)层,每层都具有不(bu)同(tong)的(de)(de)微(wei)观(guan)结(jie)(jie)构(gou)(gou)和(he)(he)(he)化学(xue)(xue)成分(fen)特征。这些层状结(jie)(jie)构(gou)(gou)的(de)(de)局(ju)部力学(xue)(xue)性(xing)(xing)能与微(wei)结(jie)(jie)构(gou)(gou)和(he)(he)(he)化学(xue)(xue)成分(fen)密切相关,几者的(de)(de)组合有效(xiao)地(di)限(xian)制(zhi)了裂纹的(de)(de)扩展,同(tong)时最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)释放(fang)了变形过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)应变能,提高了结(jie)(jie)构(gou)(gou)的(de)(de)整体韧性(xing)(xing)和(he)(he)(he)强度(du)。

 

http://pubs.acs.org/na101/home/literatum/publisher/achs/journals/content/aamick/2021/aamick.2021.13.issue-15/acsami.1c02867/20210414/images/medium/am1c02867_0011.gif

          2 .基于尾刺(ci)微结构设(she)计的(de)3D打印样品的单轴压(ya)缩实验

研究(jiu)人(ren)员使用3D打(da)印(yin)技术制备了多个尾(wei)刺的仿生微结构,通过力学测试验(yan)证(zheng)了Bouligand结构(gou)与径向(xiang)的(de)平行层(ceng)状结构(gou)的(de)组合能极大(da)地(di)提(ti)高(gao)结构(gou)总体韧性和强度(du)这一设计理(li)念。这为制备(bei)高(gao)强高(gao)韧的(de)仿生复合材(cai)料提(ti)出了一条新的(de)路径。

 

3 . 寄居蟹(xie)左(zuo)螯中的(de)化学和力(li)学梯(ti)度.

 

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

 

4. 寄居蟹(xie)左螯中的宏观结(jie)构和层(ceng)状力学(xue)梯度优(you)化(hua)了(le)结(jie)构的抗冲击性能.

 

左螯穹顶状(zhuang)形貌的局(ju)部曲率和三明(ming)治状(zhuang)的层间力学(xue)性(xing)能分(fen)布,从(cong)整体(ti)上为其抗击(ji)(ji)外部攻击(ji)(ji)提供了(le)(le)优化(hua)(hua)的力学(xue)性(xing)能,极大的降(jiang)低了(le)(le)结(jie)构的变形和界面应力,展示了(le)(le)有效的防(fang)护功能。这(zhei)为抗冲击(ji)(ji)结(jie)构的优化(hua)(hua)设计(ji)提供了(le)(le)一种思路。

 

两篇文章的第一作(zuo)者(zhe)分别(bie)是中国科学技术大学近(jin)代力(li)学系博士(shi)生(sheng)李珊和(he)硕(shuo)士(shi)生(sheng)林伟钦。骆天治教(jiao)授、王正直副教(jiao)授和(he)张作(zuo)启(qi)教(jiao)授为(wei)共同通(tong)讯作(zuo)者(zhe)。研究工作得到(dao)国(guo)家自(zi)然科学基金和安徽省重大科技专项的支持。

 

论(lun)文链接:1. 

                   2. http://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.012


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