貽貝和其它的潮間帶生物已經(jīng)掌握了吸附在巖石上的技能，以抵擋風(fēng)浪的打擊

圖片來(lái)源：KollbeAhn

    在材料的世界里，剛性和彈性通常處于性能的兩端。通常情況下，材料彈性越強(qiáng)，它承受載荷和抵抗力的能力就越弱。而材料越是越堅(jiān)硬，它在負(fù)載或力超過(guò)容量時(shí)就越容易斷裂。許多材料科學(xué)家的科研目標(biāo)就是創(chuàng)造一種同時(shí)兼具高彈性與高剛性的材料。

    加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的科學(xué)家們距離這一目標(biāo)更近了一步。在最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，作者KayetanChorazewicz、Sameer Sundrani和KollbeAhn描述了一種機(jī)制，即一種材料可以使其強(qiáng)度和剛度同時(shí)得到一定程度的提高。這篇題為“可以為合成聚合物系統(tǒng)增加韌性的生物激發(fā)功能梯度”的論文發(fā)表在了Macromolecular Chemistry and Physics雜志上。

    為了獲得靈感，研究人員將目光望向了海灘。

    該研究的作者之一Chorazewicz表示：“你可以從貽貝的足絲線程中同時(shí)觀察到剛性和延展性。”貽貝一生都生長(zhǎng)在巖石潮間帶，因此保持穩(wěn)固的能力是它們的立身之本。它們散發(fā)出的線程必須具有足夠的彈性，以保證它們足以接觸到不規(guī)則的巖石表面并吸收掉海浪的不斷沖擊，還必須具有足夠的剛性以防止貽貝自己跳進(jìn)水中或者撞擊吸附的巖石。這兩種寶貴性能的完美結(jié)合是它們生活在復(fù)雜環(huán)境中的訣竅。

    研究人員在貽貝的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)了一種新型的功能梯度材料，可以充分利用其內(nèi)部不同成分的優(yōu)點(diǎn)，并創(chuàng)建一個(gè)合成版的貽貝足絲線程，不僅同時(shí)兼具靈活性和強(qiáng)度，而且還可以在潮濕的環(huán)境中使用。

    這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是將單體芐基丙烯酸酯（BZA）與三甘醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）交叉結(jié)合在一起，這是一種用于牙科修復(fù)填充物的常用聚合物。據(jù)研究人員介紹，交叉結(jié)合的意思并不是利用BZA或TEGDMA的單層創(chuàng)造一個(gè)“三明治”，而是使交叉結(jié)合產(chǎn)生的物質(zhì)具有兩種材料都不具備的能力：在廣泛的溫度范圍內(nèi)承受壓力和負(fù)荷的能力。通過(guò)調(diào)整共聚物的組合，會(huì)使其具有不同程度的彈性，就像足絲顯示的彈性梯度一樣，也可以使柔軟的膠原纖維芯轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬的表皮。通過(guò)這種方式，材料既可以對(duì)壓力發(fā)揮吸收作用，也可以直接抵抗這種壓力。

    該研究的主要作者Sundrani表示：“它還可以有效防止斷裂在整個(gè)材料中的傳播”。如果遭遇過(guò)度的壓力，應(yīng)變能就會(huì)被被重新定向和限制，一些材料會(huì)在可以接受的范圍內(nèi)被消耗犧牲掉，同時(shí)避免整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效。

    這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)

    論文作者Ahn曾廣泛地研究過(guò)以肌肉為靈感的仿生聚合物，他表示：“如今，越來(lái)越多的材料被工程聚合物所取代，我們可以想象的任何負(fù)重材料均可以被聚合物材料取代。”包括更堅(jiān)固的塑料、頭盔、建筑部件和更耐用的飛機(jī)、車輛和船只部件。

    此外，醫(yī)學(xué)、生物工程、生物電子學(xué)甚至是軟機(jī)器人領(lǐng)域均可以受益于這種功能梯度材料，比如用來(lái)制造假肢、人工關(guān)節(jié)和器官，或者柔軟的執(zhí)行器和機(jī)器。

    Sundrani還表示：“除此之外它還可以用作已經(jīng)存在材料的替代品，而不是完全取代它們，例如硬塑料，甚至是生物醫(yī)學(xué)植入物。”

    Chorazewicz說(shuō)：“我們的功能梯度材料是一種新材料，可以提供各種各樣的功能，而不僅僅限于一個(gè)特定的領(lǐng)域，更為重要的是由于這些材料的性能是可調(diào)的，它們可以根據(jù)需求變硬或者變軟。”

    這篇論文是芭芭拉分校的研究指導(dǎo)計(jì)劃（RMP）利用合作所獲得的成果，這項(xiàng)指導(dǎo)計(jì)劃是一個(gè)夏季課程項(xiàng)目，將優(yōu)秀的高中生和大四學(xué)生與大學(xué)研究人員配對(duì)，進(jìn)行原創(chuàng)性研究。在他們發(fā)起這項(xiàng)研究的時(shí)候，Chorazewicz和Sundrani都是高中畢業(yè)班的學(xué)生。多虧了他們不同尋常的想法，以及Ahn在隨后六周所提供的幫助和指導(dǎo)，使得這篇論文的初級(jí)作者能夠進(jìn)行研究，撰寫論文，并在他們開始大學(xué)生涯之前發(fā)表在同行評(píng)議的科學(xué)雜志上。Chorazewicz和Sundrani感謝了Ahn對(duì)他們的科學(xué)生涯提供了如此多的幫助，而Ahn則稱贊了這些學(xué)生的奉獻(xiàn)精神。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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