螳螂虾的秘密被揭开,大自然的鬼斧神工

在我们社会生活的各个领域,如汽车、航空航天等,都迫切需要轻质、高性能的抗冲击材料。近年来,大自然给了科学家们很多新材料设计方面的灵感,其中就包括抗冲击材料的设计。自然界中,很多生物需要在各种压力和冲击下生存,这就需要大自然在有限的材料选择和合成条件范围内来为它们进行巧妙的设计。例如软体动物的壳就具有出色的强度和韧性,可以抵御捕食者的挤压和穿透。但强中自有强中手,“网红”螳螂虾就能通过它dactyl club(类似“胳膊肘”)的高应变率撞击来使其破裂,并且螳螂虾已经进化出了避免自身高应变率撞击带来损伤的能力。这种抗高应变率冲击影响的能力引起了工程应用领域的极大兴趣。

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螳螂虾:属于齿指虾蛄科,显著的特征就是在它的胸前有一对大螯钩,攻击力非常的强。它和日常生活中吃的皮皮虾有所不同,皮皮虾属于虾蛄科,胸前并没有这种攻击力特别强的大前螯钩,另外三对步足的位置跟螳螂虾的位置也是不一样的。

美国加州大学河滨分校David Kisailus等人研究发现,螳螂虾的“胳膊肘”包含一种耐冲击涂层。该涂层是由紧密堆积(约占体积的88%)〜65 nm的羟基磷灰石双连续纳米颗粒集成在有机基质中组成的。在高应变率(约104/s)的影响下,粒子发生旋转和平移,而纳米晶网络在低角度晶界处破裂,形成位错并发生非晶化。互穿的有机网络可提供额外的增韧效果,以及显着的阻尼(损耗系数约为0.02)。因此,螳螂虾的“胳膊肘”拥有刚度和阻尼的巧妙组合,胜过许多工程材料。该研究以题为“A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating”的论文发表在《Nature Materials》上。

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【螳螂虾“胳膊肘”上的纳米颗粒涂层

图1b突出显示了螳螂虾“胳膊肘”上三个独立的区域:最外层〜70 µm厚的涂层为高度矿化的羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒;在其下方是人字形的纳米晶HAP矿化几丁质纤维;核心是呈螺旋状结构排列的矿化α-几丁质纤维。这些密集堆积的100 nm以下的纳米颗粒以聚集体的形式出现。HRTEM成像显示(图2g),颗粒由有机相和无机相的互穿双连续网络组成,类似于先前报道的双连续共聚物纳米粒子。初级晶粒之间的后续界面为低角度晶界(〜1.5°)。这些低角度晶界不仅降低了该无机网络的形成自由能,而且还可能在冲击时破裂,而从在界面处提供强大的韧性,类似于钢化玻璃破碎成小块并耗散大量能源。这种分层结构赋予了螳螂虾强大的抗冲击能力。

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图1 螳螂虾“胳膊肘”的撞击面
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图2 撞击表面内颗粒的纳米结构设计特征。

【高应变率微冲击行为】

为了了解螳螂虾在高应变率撞击进食活动中其冲击表面复合颗粒涂层的响应,作者对“胳膊肘”样品进行了微冲击试验(图3a)。结果表明,冲击表面能够定位损伤并防止在多次冲击过程中裂纹的产生和扩展。图3i提供了各种生物和工程结构材料在高应变率冲击下的抗穿透性和破坏区域的比较。螳螂虾的冲击表面具有最小的损伤面积和穿透深度,这表明在高应变速率条件下,其“胳膊肘”具有出色的能量耗散效率。即在数千次高应变率冲击过程中,冲击表面上的颗粒层在防止“胳膊肘”发生灾难性破坏方面起着重要作用。这种依赖应变率的行为表明,在螳螂虾的“胳膊肘”中发现的超薄生物涂层旨在避免高应变率冲击过程中造成灾难性损害,并确保有效进食和生存。

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图3  应变率微冲击试验

【螳螂虾为啥这么硬?】

通过检查冲击区域(图5a),作者评估了纳米粒子涂层内能量耗散和阻尼行为的潜在机理。高应变速率冲击导致次要HAP颗粒大量破裂成较小的颗粒(〜 10-20 nm)(图5b,c),因此消散了一些冲击能量。通过HRTEM对受冲击样品中的晶粒进行分析,发现了断裂的次级颗粒,并随机化了所得初级晶粒的取向(图5d,e)。此外,高应变速率的冲击会在HAP晶体中引起晶体缺陷:位错和非晶化区域(图5f–i),而这种由高应变率或激振引起的位错形成以及非晶化被认为是有效的能量耗散机制。这种大的变形以及恢复能力归因于有机网络的双连续性。图5k显示了这些纳米颗粒涂层在高应变速率冲击下的能量吸收机理。此外,通过在纳米颗粒结构中实施双连续设计,与传统复合材料相比,刚性和强度得到了显著提高,从而导致了更高的能量吸收。

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图4撞击表面的纳米级能量耗散机制

总结:作者研究了高应变速率对生物复合材料的微观影响。结果表明,通过有机网络的定向附着而形成的这些介晶材料,不仅可以减少这些颗粒形成的能量,而且还可以导致较低的断裂屏障,从而可以实现大范围的局部能量吸收。通过将此类合成方法与当前先进制造行业相结合,可以为具有广阔应用前景的新一代先进材料提供潜在的设计方案,以用于建筑物、防弹衣、飞机、汽车、风力涡轮机的抗冲击振动以及耐磨的涂层。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0768-7

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