中科大俞书宏院士团队又发《Science》！一种耐疲劳新策略

2023-06-25 14:28:37 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

鸡冠蚌“铰链”为新型柔性耐疲劳材料设计提供新思路

中国科学技术大学俞书宏院士团队联合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，为未来耐疲劳结构材料的合理设计和制备提供了新的见解。

研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”为题，于6月23日发表在国际学术期刊《Science》上。

论文链接：

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

有所发现、有所发明、有所创造

为什么要研究普普通通的河蚌呢？

“我们要向自然学习”，俞书宏院士坚定地说，“通过解析自然材料，特别是生命体所创造的具有复杂结构的生物材料，搞清楚包括它的组成、结构与功能之间的关系，用于指导我们在仿生领域开展更多的探索研究。”正是因为俞书宏院士提出的独特研究思路和视角，他获得了新基石科学基金会的资助，入选首批新基石研究员。

俞书宏院士及其团队早在2016年，就模仿双壳纲软体动物合成天然珍珠母的“砌墙式”策略，提出一种新的“组装与矿化”联用的介观组装合成方法，从源头模仿天然贝壳珍珠层的形成过程和化学组分，在国际上首次成功矿化合成了人工珍珠母材料，相比于天然珍珠母长达数月的形成周期，人工珍珠母合成只需要两周左右的时间，相关研究成果发表在《Science》上。俞书宏院士表示，通过对生物材料微观结构的细致观察和深入研究，可以发现多级有序结构对材料宏观性能的提升能起到至关重要的作用。

“有所发现”、“有所发明”、“有所创造”，俞书宏院士用这三个词总结了团队的期待和目标，“这是我们仿生材料研究团队的科研理念。首先是有所发现，要学会发现自然界神奇的生物材料的特殊性质，通过解析天然材料结构与功能的关系，能够帮助我们明晰新材料的创制与设计理念，接着要有所发明，将提取的设计原理用于仿生材料的制备合成，最后有所创造，通过将从自然材料结构解析中获得的材料结构设计理念交叉融合，力求创制出全新的人工材料，并将研究成果应用到实际材料的创制中，以提升材料性能”。

此外，在仿生材料研究领域，除了需要懂得化学材料相关知识，也需要对生物学、力学、数学方面的知识有所掌握。这也是研究的难点之一，要求研究人员具有很强的学科交叉能力。俞书宏院士说，“天然材料，特别是生物材料，它的结构非常复杂。在研究的时候需要我们具有跨学科的知识储备。”俞书宏院士也经常指导刚进入实验室的同学，鼓励同学们在仿生材料领域发现自己感兴趣的方向并开展研究工作。

俞书宏院士表示，“我们有信心创制一系列的仿生新材料，把传统材料的性能提升至更高水平。”

十年如一的科研坚守

“人工材料难在制备，自然材料难在解析”，茅瓅波副研究员说，“从自然界获得的天然生物材料，它们不仅组成未知，而且其结构设计是从宏观尺度直达分子尺度。想要把如此复杂的材料结构以及性能之间的联系说清楚，十分具有挑战性。”

这项研究持续了十余年，从2013年就已经在俞书宏院士的指导下开始进行。2015年茅瓅波副研究员从他的师兄刘蕾那里接过这项工作，继续开展河蚌铰链的解析，但一直认为没有达到俞书宏院士期望的完成度。2017年，茅瓅波副研究员博士毕业后，和同年入学的师弟孟祥森开始合作继续推进这一研究工作，没想到一做又是六年。在长达近十年的研究工作中，是俞书宏院士对基础科学长期研究的坚守和信心，为工作的开展提供了最好的条件和保障，这也与他一贯提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做从0到1的科研”的科研理念高度一致，正是俞书宏院士对科研方向的远见、传承和坚持，最终才能够取得又一突破性的成果。

在研究过程中，团队也遇到了非常多的困难。

十年前测试仪器很难实现对于材料精细结构表征的要求，直到近些年国家和学校在这方面的投入加大，给了研究团队更好的平台条件去达到想要实现的目标。在研究铰链微观结构过程中，需要分析材料各个微区的晶体学取向，这需要用X射线单晶衍射仪连续做几百次测试。为此，生命科学实验中心负责单晶衍射仪的朱中良老师不仅陪着团队成员熬夜测试，还主持搭建了一个自动测试平台，极大减轻了实验负担。

其次，河蚌铰链的解析需要用到非常规的表征方式，这些都需要研究团队自己去设计和搭建装置。在这方面，有着丰富设计经验的工程学院博士后郑东昌提供了极大帮助。尽管团队经历了很多次的失败，但俞书宏院士一直都很支持这些原创性的探索，正是经过一次次失败的经验积累，最终才能取得完美的实验结果，并得到了审稿人的高度评价，称：“这份手稿展示了一个非常有趣的工作”（The manuscript presents a piece of very interesting work）、“这是一份令人兴奋的稿件。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” （This was an exciting manuscript. It integrates a lot of different techniques to understand the remarkable fatigue-resistant properties of bivalve hinge tissue）、“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”。(The work certainly motivates further investigation using bio-inspired composites for designing new materials with enhanced fatigue resistance.)

同期《Science》观点栏目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”为题发表了评述（Science 2023, 380, 1216-1218），评述称“通过整合不同尺度的原理——从铰链的整体结构到单个晶体的原子结构——孟等人揭示了大自然如何主要从脆性成分中创造出抗疲劳、可弯曲、有弹性的结构。这些跨尺度原理要求在最精细的尺度上精确，而软体动物如此精确地沉积壳的细胞和分子机制是一个正在探索的领域”；“匹配生物精细控制对于对生物启发材料感兴趣的人类工程师来说是一个特别的挑战，正如开发模仿珍珠质强度和韧性的复合材料所面临的困难所证明的那样”；“尽管孟等人研究的力学性能与这种特殊生物体的需求相匹配，这些原理如何在更广泛的系统范围内得到完善，这是令人兴奋的前景。”

如何阐明这种材料的构效关系也是一个难点。面对丰富的实验结果，研究团队仍然想要更为系统地阐明河蚌铰链组织优异耐疲劳性能和可变形能力背后的深层次原因。与俞书宏院士团队有过长期合作经验的工程科学学院吴恒安教授带领团队朱银波副教授、周立川博士等通过定量化建模和多尺度力学分析最终解决了这个难题，使得团队成功揭示了河蚌铰链组织从宏观到微观精细结构的力学行为。双方团队紧密合作，最终给出了贝壳铰链组织的多尺度结构与耐疲劳性能之间的清晰而令人信服的物理图像描述。

未来广阔的应用前景

随着近年来小型智能化的可穿戴电子设备的发展，产品柔性化已成趋势，可以说 “柔性”性能是未来产品开发的重要方向之一，像折叠屏、折叠手机已经逐渐融入我们的日常生活。但是，要想真正实现可靠的“柔性”性能，目前还存在亟需解决的问题。

这种从河蚌铰链可变形生物矿物中提取的耐疲劳结构设计策略对于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形变的柔性功能材料的创制具有普遍的指导意义。俞书宏院士表示，仿生材料未来发展前景非常广阔，通过全新的设计理念，能创制出新的具有更优越性能的新材料，在航空航天、特种环境、防护等领域发挥出独特的功能和应用价值，这也是团队未来努力要做的重要方向。