有烹鱼经验的小伙伴应该清楚，用菜刀将带鱼鳞的鱼一刀两断是一件费力不讨好的事。给鱼去鳞需刮除而非强行破坏。鱼鳞是鱼坚硬的盔甲，但鳞片在鱼游动时却不会折断。鱼鳞何以如此神奇？
美国劳伦斯-伯克利国家实验室、加州大学圣地亚哥分校和加州大学伯克利分校的研究团队近日在Matter杂志上发表了他们关于鱼鳞问题的答案。研究者们发现，鲤鱼鱼鳞的多级结构及其在应力下对应的微观结构变化是鱼鳞坚韧之奥秘所在。
要解释鱼鳞坚韧的奥秘，首先我们要了解鲤鱼鱼鳞的结构（图1）。每一片鱼鳞由暴露的深色部分和层叠的浅色部分组成（图1B）。暴露的部分表面粗糙，具有矿化突起（图1C、D）。这些突起表面被真皮纤维完全覆盖（图1E）。层叠浅色部分表面存在较规整的层状结构，并伴随裂纹（图1F、G）。放大后可见表面是由直径30-50 nm的矿化纤维组成（图1H）。从截面来看，鱼鳞由表皮层、矿化外层和Bouligand内层（从上到下）三层构成（图1I、J），外层比内层矿化程度高。
电子显微镜下可见Bouligand层具有层状结构。各层取向各异，相邻层取向夹角基本相等（图2A）。每层由密密麻麻的胶原蛋白纤维并排而成（图2B），且纤维之间互相桥联，形成纤维束（图2C）。实际上，纤维束通过塞积堆叠形成螺旋楼梯的结构便是Bouligand结构。这种结构在蟹壳和甲壳中均存在。
透射电子显微镜显示鱼鳞截面的胶原蛋白纤维束间存在贯穿各层的胶原蛋白纤维（图3）。密排的椭圆颗粒是图2所示的胶原蛋白束截面。贯通其中的蛋白纤维如“绳子”一般将椭圆形的胶原蛋白纤维束“甲片”串了起来。
了解了鲤鱼鱼鳞的结构，下面我们来看看鱼鳞是如何应对外界应力的。作者们利用光学显微镜观察了鱼鳞在不同应变程度下的结构（图4）。当应变在0.2以下时，鱼鳞微观结构无明显变化。应变达到0.2时鱼鳞外层破裂，应力增长趋缓并略微下降。当应变达到0.25后，外层完全破裂、剥离。外层剥离后应力迅速下降，但鱼鳞并未彻底断裂。断裂处仍被纤维连接。表1汇总了鱼鳞的力学性能。从表中数据可知，鲤鱼鱼鳞力学性能的各向异性较弱，且表皮层是否存在对鱼鳞力学性能的影响甚微。
表1.鲤鱼鱼鳞的力学性能参数。Whole Scale为完整鳞片，Collagen Layer为去除表皮的鳞片。
作者们还利用了小角X射线散射（SAXS）探测了鱼鳞微观结构在应力作用下的变化，并总结了鱼鳞抵御外界应力的微观过程。鱼鳞外部矿化层提供第一层保护。它可承受应力直至完全断裂并剥离（图5A）。下方Bouligand层也参与耗散应力。其中与应力平行的胶原蛋白束层可产生拉伸形变直至层间分离（图5B）。与应力呈一定角度的胶原蛋白束层可朝向顺着应力的方向扭转并同时发生形变存储应力（图5C、D）。此外，层与层还可发生位移，进一步分散应力（图5E、F）。
研究人员目前正研究通过3D打印合成类鲤鱼鱼鳞结构的材料。这些材料有望制备质轻坚韧的护甲等。人类效法自然的脚步不会停歇。
更多细节请见原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302447
