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連“食人魚”都惹不起的最堅韌生物材料原來長這樣

作者:宋檢 時間:2022-12-12 來源:互聯(lián)網(wǎng)

每當(dāng)提起南美洲亞馬遜河,人們的印象中通常會浮現(xiàn)一種及其嗜血的生物“食人魚”,作為亞馬遜河流域的霸主,整個流域中幾乎沒有食人魚不敢攻擊的對象,它們那如同切割機(jī)般鋒利的牙齒幾乎可以撕碎任何魚類的身體。

但就在亞馬遜河里,卻有一種食人魚都惹不起的生物,這種動物就是——巨骨舌魚(學(xué)名:Arapaima gigas),它們體長可達(dá)3米,體重可達(dá)200公斤。正是因為他們身上覆蓋著一層既強又韌的特殊魚鱗,才得以在亞馬遜流域存活。

生物材料科學(xué)通過對自然材料進(jìn)行研究,分析它們的結(jié)構(gòu),并找到它們功能背后的特性起源。這些知識反過來又可以用于設(shè)計改良合成材料。魚鱗就是一種很好的仿生材料候選,因為它們是高效的天然皮膚盔甲,保護(hù)魚類免受捕食者的傷害,同時又不妨礙它們的靈活性。因此,在工程材料上模仿它們的設(shè)計可以改進(jìn)輕型裝甲材料。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的Wen Yang、權(quán)浩誠博士和加州大學(xué)伯克利分校的Robert O. Ritchie教授通過對巨骨舌魚鱗的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),魚鱗外層存在著一層高度礦化結(jié)構(gòu),從而可以抵御食人魚鋒利牙齒的穿透性傷害;魚鱗內(nèi)層是一層柔軟但強韌的膠原結(jié)構(gòu),按照“Bouligand”結(jié)構(gòu)排布,賦予其適應(yīng)過度變形的能力。

為了證明該鱗片是自然界中*堅韌的柔性材料之一,作者提出了一種測試魚鱗斷裂韌性的新方法。一般而言,用于測量斷裂韌性的力學(xué)參數(shù)主要為線彈性裂紋驅(qū)動力Kc和對應(yīng)的非線性彈性能量參數(shù)Jc。但是魚鱗的尺寸過小并且具有一定的塑性,不適用于線性彈性斷裂韌性測試方法。因此作者分別提出利用非線性彈性斷裂韌性Jc和一種緊湊型張力測試夾具來評價巨骨舌魚鱗的斷裂韌性。

如圖3所示,為了證明魚鱗下層Bouligand結(jié)構(gòu)的膠原層對于斷裂韌性的貢獻(xiàn),作者使用預(yù)先開裂的魚鱗(模仿由掠食者造成具有缺陷的魚鱗)以說明受損的鱗片如何承受負(fù)載并提供保護(hù)。

實驗證明,隨著載荷增加裂紋開始擴(kuò)展,由于魚鱗外層硬度高且延展性低,礦化層**在表面開裂并逐漸剝落;隨著施加的載荷進(jìn)一步增大,開裂的礦化層逐漸增大,脫落的礦化層碎片增多。由于礦化層是一種獨立的區(qū)域結(jié)構(gòu),因此外力作用下僅發(fā)生局部剝落,而其他區(qū)域完好無損。裂紋**在擴(kuò)展過程中分別經(jīng)歷鈍化、前進(jìn)和再鈍化過程,并且在不同方向的片層結(jié)構(gòu)中裂紋發(fā)生變形和再定向,*后在膠原層中發(fā)生層間分離。魚鱗內(nèi)部膠原層則通過纖維重定向、分離、分層、剪切、扭轉(zhuǎn)和斷裂等變形機(jī)制來抵抗裂紋的擴(kuò)展。

傳統(tǒng)線性彈性斷裂韌性測量通常沒有考慮塑性變形所帶來的的影響,但是對于小尺寸和塑性結(jié)構(gòu)的魚鱗而言,該種方法不太適用。因此作者通過非線性彈性斷裂力學(xué)分析對于魚鱗的韌性進(jìn)行評價,巨滑舌魚鱗的韌性經(jīng)測量高達(dá)200 kJ∙m2(相當(dāng)于大約6.4 MPa∙m1/2)。總而言之,魚鱗的分級增韌機(jī)制通過膠原層狀分離將能量耗散,膠原纖維橋聯(lián)、滑移等方法實現(xiàn)如此高的韌性。

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