柔软的生物盔甲——浙工大青年教师蒋汉阳成功揭示硬骨鱼鳞片的柔性防护机理

发布者:新葡亰8883ent发布时间:2023-06-13浏览次数:36

大西洋海鲢  来源:BBC Earth

        以巨骨舌鱼、海鲢等为代表的硬骨鱼类拥有柔软且强韧的软质鳞片,对其鳞甲结构柔性防护机理的认识,可以指导柔性防护材料和结构的定向优化,进而在人体防护装备中复现生物鳞甲结构优异的柔性防护能力。

        近日,我校新葡亰8883ent彭光健团队蒋汉阳老师,联合美国华盛顿大学D. Arola教授团队,成功揭示了硬骨鱼鳞片的柔性防护机理。彭光健团队长期聚焦微纳米力学先进测试方法及测试技术的研究工作,在硬骨鱼鳞片柔性防护机理研究中,团队提出了基于微尺度碳粉颗粒的随机散斑制备方法,建立了数字图像相关方法(DIC)辅助的水下原位拉伸实验装置,并以此成功获取鱼鳞在外部载荷作用过程中的全场动态变形信息,使得硬骨鱼鳞片柔性防护机理的深入研究得以实现。

        鱼鳞表面粗糙的纹理是硬骨鱼鳞片实现柔性防护的关键因素之一。利用DIC辅助的水下断裂实验,团队发现这些纹理可以改变鱼鳞断裂过程中的裂纹扩展路径,从而延缓鱼鳞的断裂失效。这是首次通过实验发现硬骨鱼鳞片的表面纹理具有改变裂纹扩展路径的功能。

巨骨舌鱼的鱼鳞表面纹理

硬骨鱼鳞片断裂过程中的应变云图

        为进一步探明硬骨鱼鳞片的裂纹扩展机制,揭示其柔性防护机理。团队分别对多种典型硬骨鱼鳞片的多尺度结构特征进行了深入地观测和分析。已有研究表明硬骨鱼鳞片由外而内可分为三层,即高度矿化的限定层(LL)、部分矿化的外弹性层(EE)以及由蛋白纤维构成的内弹性层(IE),而团队的观测发现,鱼鳞的径向沟槽(Gv)贯穿硬骨鱼鳞片的整个矿化层(LL+EE)将整个鱼鳞的矿化层分割为众多个独立单元,这些单元又与内弹性层相连,最终形成一个“软-硬”结合的稳定整体。

巨骨舌鱼、大西洋海鲢、青鱼的鱼鳞微观结构

        值得注意的是,巨骨舌鱼鳞片的径向沟槽内部还被蛋白纤维所填充,沟槽两侧的矿化层被这些纤维所连接,形成“矿化单元-蛋白纤维桥-矿化单元”的结构。研究结果表明:径向沟槽的存在可将本应出现在LL层的应力集中“转移”到非常柔软IE层,从而降低硬骨鱼鳞片的整体弯曲刚度,使得鱼鳞整体变得柔软,容易弯曲;巨骨舌鱼鳞片通过蛋白纤维桥将相邻矿化单元桥接,实现矿化单元间的应力传递,进而提高了鱼鳞整体的抗穿刺能力。

典型硬骨鱼鳞片的有限元模拟结果

       含水鱼鳞非常柔软,容易弯曲,而干燥的鱼鳞则不易变形、弯曲。为揭示鱼鳞这种“刚柔”转化的内在机理,团队深入研究了水分子对典型硬骨鱼鳞片IE层的力学行为的影响。根据实验结果,结合前期研究工作,团队提出了“蛋白纤维间水分子润滑作用”的模型,从微观的角度,对饱水硬骨鱼鳞片的柔顺性及强韧化机理进行了全面的解释。

蛋白纤维间的水分子润滑作用

         该工作全面揭示了单个硬骨鱼鳞片的柔性防护机理,有望为仿鱼鳞高性能柔性防护材料和结构的研发提供新的设计思路和参考依据。

        上述工作以Importance of radial line and circulus distributions to the protectoflexibility of scales in fish armors”为题,于2022921日被最新一期《Cell Reports Physical Science》报道。浙江工业大学为文章第一完成单位,新葡亰8883ent青年教师蒋汉阳为文章第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目(121723321207207311727803)和浙江省省属高校基本科研业务费(RFA2020013)资助。

       《Cell Reports Physical Science》是Cell Press出版集团推出的高影响力综合期刊,旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。

论文链接:

蒋汉阳

        2020年毕业于东南大学获固体力学博士学位,同年入职新葡亰8883ent欢迎你,就职于微/纳米力学测试技术与应用研究所。长期从事现代光测力学、实验固体力学、生物材料力学及仿生等领域的研究工作。先后主持及参与国家自然科学基金5项,近年来在 Opt Lasers EngOpt LettAppl OptActa Biomater 等知名国际期刊发表SCI检索论文20余篇。

 

彭光健

        研究员,博士生导师,新葡亰8883ent欢迎你微/纳米力学测试技术与应用研究所常务副所长。主要从事仪器化微/纳米压入测试技术研究及其仪器研制。主持国家自然科学基金重大科研仪器研制项目子课题、面上项目、青年项目和浙江省公益技术应用研究项目等纵向项目6项;发表SCI检索论文40余篇;以第一发明人获得授权发明专利9项、登记软件著作权5项;牵头制定中的国际标准1项,参与制定国家标准1项。兼职担任国际标准化组织ISO/TC164/SC3/WG4成员、ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组联合召集人和副组长、《实验力学》期刊编委、《Coatings》期刊客座编辑。


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