中科大研究发现新耐疲劳结构材料奥秘

6月23日从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队和吴恒安教授团队成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制，提出耐疲劳设计新策略，为未来耐疲劳结构材料的合理创制发展提出新见解。相关研究成果于6月23日发表在国际顶尖学术期刊《科学》上。

脆性材料作为结构或功能部件被广泛应用于航空航天、电子器件和组织工程等领域。由于人工脆性材料对微裂纹和不易察觉的缺陷很敏感，在长时间的循环载荷作用下，材料很容易累积损伤产生疲劳裂纹，存在失效的风险。随着可折叠穿戴设备的发展，对具有高疲劳抗性的可变形功能材料的需求日益凸显。通过模仿典型的生物矿物材料如珍珠母、骨骼等的结构设计可以提升脆性材料疲劳抗性，但这常依赖于疲劳裂纹扩展过程中增韧行为，然而一旦裂纹开始扩展，就会对器件的性能产生不可逆的影响。因此，寻找并开发新的耐疲劳结构模型对未来可变形功能材料的设计制备具有重要的科学意义和应用价值。

双壳纲动物褶纹冠蚌又称鸡冠蚌，是一种常见的淡水蚌类。为了满足滤食、运动等生存需求，其外壳在一生中需要进行数十万次的开合运动。连接两片外壳的铰链部位也会经历反复的受压和变形，表现出优异的耐疲劳性能。

本项科研工作中，研究人员从宏观到微纳米尺度上，揭示了鸡冠蚌铰链部位中的折扇形矿物硬组织所蕴含的跨尺度耐疲劳设计原理。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设计新机制，填补了国际上含脆性组元的仿生耐疲劳材料设计的空白。研究所提出的整合跨尺度结构特征与功能特性的设计策略，能够在不同尺度上充分发挥每种成分的固有特性，从而实现材料整体性能的优化。这种兼顾变形性和耐疲劳性的跨尺度设计原则有望为未来功能材料的仿生设计和创制提供崭新思路。

《科学》审稿人评价称：“它集成了诸多表征技术来理解双壳纲铰链组织的显著疲劳抗性”“这无疑激发了对生物复合材料的进一步研究，以设计抗疲劳性能增强的新材料”。同期《科学》观点栏目还专门对此项成果发表评述，称赞“这是令人兴奋的前景”。