中国科大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。研究成果于6月23日发表在国际学术期刊《Science》上。

为什么要研究普普通通的河蚌？

【资料图】

“我们要向自然学习。”俞书宏院士说，“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。

“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。”俞书宏院士说，“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。”

科研坚守十年如一日

“人工材料难在制备，自然材料难在解析。”团队茅瓅波副研究员说，“从自然界获得的天然生物材料，它们不仅组分未知，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。研究过程中，团队遇到了非常多的困难。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。

广阔的应用前景

随着近年来小型智能化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，能创制出具有更优越性能的新材料，在航空航天、特种环境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研究的重要方向。

关键词：