2023/6/29 11:03:27 阅读：74 发布者：
河蚌是一种常见的淡水蚌类，滤食时，两片外壳会重复开合运动。两片外壳连接部位为铰链，其承受反复运动和变形的过程进入了我国科学家的研究视线。
中国科学技术大学俞书宏院士团队从中受到启发，他们联合同校的吴恒安教授团队，揭示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。成果于6月23日发表在国际学术期刊《科学》（Science）中。
一位审稿专家高度评价该工作，称“这无疑激发了对生物复合材料的进一步研究，以设计耐疲劳性能增强的新材料”。
从最初发现到最终论文发表，这项研究已经走过十年，背后离不开一群青年科研人的探索和付出。
Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata
Science ( IF 63.714 ) Pub Date : 2023-06-22 , DOI: 10.1126/science.ade2038
Xiang-Sen Meng 1 , Li-Chuan Zhou 2, 3 , Lei Liu 1 , Yin-Bo Zhu 2 , Yu-Feng Meng 1 , Dong-Chang Zheng 2 , Bo Yang 1 , Qi-Zhi Rao 4 , Li-Bo Mao 1 , Heng-An Wu 2 , Shu-Hong Yu 1, 5
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The hinge of bivalve shells can sustain hundreds of thousands of repeating opening-and-closing valve motions throughout their lifetime. We studied the hierarchical design of the mineralized tissue in the hinge of the bivalve Cristaria plicata , which endows the tissue with deformability and fatigue resistance and consequently underlies the repeating motion capability. This folding fan–shaped tissue consists of radially aligned, brittle aragonite nanowires embedded in a resilient matrix and can translate external radial loads to circumferential deformation. The hard-soft complex microstructure can suppress stress concentration within the tissue. Coherent nanotwin boundaries along the longitudinal direction of the nanowires increase their resistance to bending fracture. The unusual biomineral, which exploits the inherent properties of each component through multiscale structural design, provides insights into the evolution of antifatigue structural materials.
研究起始于俞书宏院士2013年的科研探索，团队注意到河蚌外壳珍珠层和铰链部位微观结构的差异。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，但一直没有达到俞书宏院士期望的科研完成度。2017年，茅瓅波博士毕业后，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，这一做又是6年。
值得一提的是，2016年，俞书宏院士及其团队提出一种新的“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，并在国际上首次成功矿化合成人工珍珠母材料。
他们还发现，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，相关研究成果当年发表在《科学》上。俞书宏说，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。
这一发现为后续研究奠定基础。“我们要向自然学习，河蚌为新材料的研制提供源源不断的灵感。”俞书宏院士常用“有所发现”“有所发明”“有所创造”这三个词总结他领衔的仿生材料研究团队的期待和目标。
年轻科研人员在实验室中工作。李晓萌/摄
他认为，要学会发现自然界神奇的生物材料的特殊性质，再通过解析自然材料，特别是生命体所创造的具有复杂结构的生物材料，弄清楚材料组成、结构与功能之间的关系，指导科学家在仿生领域开展更多的探索研究。
“人工材料难在制备，自然材料难在解析。”茅瓅波说，“从自然界获得的天然生物材料，它们组成未知，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。”
他举例介绍，河蚌铰链部位包含折扇形矿物区域，外壳在开合过程中，铰链整体会发生较大的变形，而脆性的碳酸钙并不能承受大变形。这背后的神奇原理引起团队注意。
团队回忆，十年前的测试仪器很难实现对材料精细结构表征的要求。近年来，得益于国家和学校在硬件方面加大投入，研究团队也有更好的平台、条件去实现目标。
例如，在研究铰链微观结构过程中，需要研究人员分析材料各个微区的晶体学取向，得用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。
俞书宏院士（中）为年轻科研人员讲解介绍。李晓萌/摄
在仿生材料研究领域，除了掌握化学材料相关知识，也需要精通生物学、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。
记者了解到，该成果联合攻关团队的硕博研究生平均年龄不到31岁。在俞书宏院士看来，长达近十年的研究工作，离不开青年科研人员对基础科学长期研究的坚守和信心，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。他说：“正是大伙对科研方向的远见、传承和坚持，最终才能够取得又一突破性的成果。”
近年来，随着小型智能化的可穿戴电子设备技术发展，产品柔性化已成趋势，折叠屏、折叠手机逐渐进入日常生活。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。
95后博士生孟祥森举例，研究中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指导意义。
俞书宏认为，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的重要方向。
俞书宏院士（中）与年轻人员合影。李晓萌/摄
让团队欣喜的是，他们目前已与中国科学院海洋研究所联系，以获得更多“稀奇古怪”的生物样品。俞书宏说，“大自然就像奇妙的‘合成工厂’。未来，我们希望将这些低成本、环保型、可持续的生物基础材料推向实际应用，我们也有信心创制一系列仿生新材料，把传统材料的性能提升至更高水平。”
来源：中国青年报客户端
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
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