在我們社會生活的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車、航空航天等，都迫切需要輕質(zhì)、高性能的抗沖擊材料。近年來，大自然給了科學(xué)家們很多新材料設(shè)計(jì)方面的靈感，其中就包括抗沖擊材料的設(shè)計(jì)。自然界中，很多生物需要在各種壓力和沖擊下生存，這就需要大自然在有限的材料選擇和合成條件范圍內(nèi)來為它們進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)。例如軟體動物的殼就具有出色的強(qiáng)度和韌性，可以抵御捕食者的擠壓和穿透。但強(qiáng)中自有強(qiáng)中手，“網(wǎng)紅”螳螂蝦就能通過它dactyl club（類似“胳膊肘”）的高應(yīng)變率撞擊來使其破裂，并且螳螂蝦已經(jīng)進(jìn)化出了避免自身高應(yīng)變率撞擊帶來損傷的能力。這種抗高應(yīng)變率沖擊影響的能力引起了工程應(yīng)用領(lǐng)域的極大興趣。
美國加州大學(xué)河濱分校David Kisailus等人研究發(fā)現(xiàn)，螳螂蝦的“胳膊肘”包含一種耐沖擊涂層。該涂層是由緊密堆積（約占體積的88％）?65 nm的羥基磷灰石雙連續(xù)納米顆粒集成在有機(jī)基質(zhì)中組成的。在高應(yīng)變率（約104/s）的影響下，粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)和平移，而納米晶網(wǎng)絡(luò)在低角度晶界處破裂，形成位錯(cuò)并發(fā)生非晶化?；ゴ┑挠袡C(jī)網(wǎng)絡(luò)可提供額外的增韌效果，以及顯著的阻尼（損耗系數(shù)約為0.02）。因此，螳螂蝦的“胳膊肘”擁有剛度和阻尼的巧妙組合，勝過許多工程材料。該研究以題為“A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating”的論文發(fā)表在《Nature Materials》上。
【螳螂蝦“胳膊肘”上的納米顆粒涂層】
圖1b突出顯示了螳螂蝦“胳膊肘”上三個(gè)獨(dú)立的區(qū)域：最外層?70 μm厚的涂層為高度礦化的羥基磷灰石（HAP）納米顆粒；在其下方是人字形的納米晶HAP礦化幾丁質(zhì)纖維；核心是呈螺旋狀結(jié)構(gòu)排列的礦化α-幾丁質(zhì)纖維。這些密集堆積的100 nm以下的納米顆粒以聚集體的形式出現(xiàn)。HRTEM成像顯示（圖2g），顆粒由有機(jī)相和無機(jī)相的互穿雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)組成，類似于先前報(bào)道的雙連續(xù)共聚物納米粒子。初級晶粒之間的后續(xù)界面為低角度晶界（?1.5°）。這些低角度晶界不僅降低了該無機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成自由能，而且還可能在沖擊時(shí)破裂，而從在界面處提供強(qiáng)大的韌性，類似于鋼化玻璃破碎成小塊并耗散大量能源。這種分層結(jié)構(gòu)賦予了螳螂蝦強(qiáng)大的抗沖擊能力。
【高應(yīng)變率微沖擊行為】
為了了解螳螂蝦在高應(yīng)變率撞擊進(jìn)食活動中其沖擊表面復(fù)合顆粒涂層的響應(yīng)，作者對“胳膊肘”樣品進(jìn)行了微沖擊試驗(yàn)（圖3a）。結(jié)果表明，沖擊表面能夠定位損傷并防止在多次沖擊過程中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。圖3i提供了各種生物和工程結(jié)構(gòu)材料在高應(yīng)變率沖擊下的抗穿透性和破壞區(qū)域的比較。螳螂蝦的沖擊表面具有最小的損傷面積和穿透深度，這表明在高應(yīng)變速率條件下，其“胳膊肘”具有出色的能量耗散效率。即在數(shù)千次高應(yīng)變率沖擊過程中，沖擊表面上的顆粒層在防止“胳膊肘”發(fā)生災(zāi)難性破壞方面起著重要作用。這種依賴應(yīng)變率的行為表明，在螳螂蝦的“胳膊肘”中發(fā)現(xiàn)的超薄生物涂層旨在避免高應(yīng)變率沖擊過程中造成災(zāi)難性損害，并確保有效進(jìn)食和生存。
【螳螂蝦為啥這么硬？】
通過檢查沖擊區(qū)域（圖5a），作者評估了納米粒子涂層內(nèi)能量耗散和阻尼行為的潛在機(jī)理。高應(yīng)變速率沖擊導(dǎo)致次要HAP顆粒大量破裂成較小的顆粒（? 10-20 nm）（圖5b，c），因此消散了一些沖擊能量。通過HRTEM對受沖擊樣品中的晶粒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了斷裂的次級顆粒，并隨機(jī)化了所得初級晶粒的取向（圖5d，e）。此外，高應(yīng)變速率的沖擊會在HAP晶體中引起晶體缺陷：位錯(cuò)和非晶化區(qū)域（圖5f–i），而這種由高應(yīng)變率或激振引起的位錯(cuò)形成以及非晶化被認(rèn)為是有效的能量耗散機(jī)制。這種大的變形以及恢復(fù)能力歸因于有機(jī)網(wǎng)絡(luò)的雙連續(xù)性。圖5k顯示了這些納米顆粒涂層在高應(yīng)變速率沖擊下的能量吸收機(jī)理。此外，通過在納米顆粒結(jié)構(gòu)中實(shí)施雙連續(xù)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，剛性和強(qiáng)度得到了顯著提高，從而導(dǎo)致了更高的能量吸收。
總結(jié)：作者研究了高應(yīng)變速率對生物復(fù)合材料的微觀影響。結(jié)果表明，通過有機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定向附著而形成的這些介晶材料，不僅可以減少這些顆粒形成的能量，而且還可以導(dǎo)致較低的斷裂屏障，從而可以實(shí)現(xiàn)大范圍的局部能量吸收。通過將此類合成方法與當(dāng)前先進(jìn)制造行業(yè)相結(jié)合，可以為具有廣闊應(yīng)用前景的新一代先進(jìn)材料提供潛在的設(shè)計(jì)方案，以用于建筑物、防彈衣、飛機(jī)、汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)的抗沖擊振動以及耐磨的涂層。
原文鏈接：
