图 褶纹冠蚌铰链中矿物硬组织结构特征和其耐疲劳性能表征及跨尺度设计原理

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22293044、21701161）等资助下，中国科学技术大学俞书宏教授团队和吴恒安教授团队合作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，提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳设计新策略。相关研究成果以“双壳纲褶纹冠蚌铰链中耐疲劳可变形硬组织（Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata）”为题，于6月23日发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038。

　　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，进而存在失效的风险。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，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。

　　俞书宏团队发现双壳纲褶纹冠蚌铰链内矿物硬组织具有可变形性和抗疲劳性，这种矿物硬组织呈折扇形，由嵌入有机基质中径向排列的脆性文石纳米线组成，可以将外加径向载荷转化为组织的周向变形。这种软硬复合的微观结构可以防止该组织内的应力集中。此外，沿着纳米线长度方向的孪晶界能够增加它们的抗弯折能力。通过定量化建模和多尺度力学分析了该组织多层级精细结构的跨尺度力学行为，阐明了多级次结构与耐疲劳性能之间的关联，并提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳新策略。

　　与典型的天然硬质生物矿物材料（如骨骼、牙釉质）和常见的人工材料（如金属、水凝胶）等相比，铰链内这一硬组织实现了高硬度、可变形性和耐疲劳性等多种力学特性的有效融合。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新的思路。