“龙虾凝胶”：高强度，抗疲劳，还伸缩自如学术资讯

研究人员利用钢粒穿过凝胶材料前后的速度差，测算出了材料的抗冲击性能。

龙虾的腹部有一层半透明的薄膜。这种薄膜既具有弹性，又非常坚韧。2019年，美国麻省理工学院（MIT）的工程师曾发文称，这种“水下装甲”由自然界已知的最坚硬且具有高度柔韧性的水凝胶构成。当龙虾在海底漫步时，这层坚固而柔韧的装甲不仅可以保护它的躯体，还能让它前后弯折式游动。

phys.org网站当地时间4月23日报道，MIT的研究人员Shaoting Lin等制造了一种水凝胶基合成材料，这种材料模仿了龙虾的腹部薄膜结构，具有显著的“抗疲劳特性”，能够承受反复拉伸而不会撕裂。

如果龙虾凝胶的制造工艺能够实现工业化，工程师就能用纳米纤维水凝胶材料制造出人造肌腱和韧带。相关研究成果发表在《Matter》杂志中。

2019年，该团队曾用水和交联聚合物开发了一种抗疲劳材料。当材料被反复拉伸时，水凝胶纤维会像稻草束一般排列。正是这种排列方式强化了材料的抗疲劳性能。

在新研究中，研究人员融入了静电纺丝等技术，试图制造更高强度的水凝胶纳米纤维和由纳米纤维构成的薄膜。他们将薄膜放置在高湿度反应室内，然后将纤维连接成一个坚固的、相互勾连的网络。最后，研究人员将薄膜转移到高温培养箱中，使纳米纤维结晶，以进一步强化材料。新型纳米纤维薄膜的抗疲劳能力是传统纳米纤维水凝胶的50倍左右。

与此同时，MIT副教授Ming Guo对龙虾腹部机械特性的研究吸引了Lin等人的关注。Guo指出，龙虾腹膜是由几丁质薄片组成的。几丁质是一种天然纤维材料，与水凝胶纳米纤维结构相似。横截面照片显示，几丁质薄片以36°角度堆叠，形成bouligand结构。这种螺旋分层结构对龙虾腹膜的强度有显著强化效果。

Lin说：“龙虾腹部的bouligand结构具有良好的力学性能，这促使我们产生了在合成材料中重现该结构的想法。”

拉伸测试结果表明，这种仿生材料的性能与天然材料相似，都能够承受反复拉伸，并抑制撕裂和裂纹产生。Lin说：“一旦材料中的裂纹穿透了一层纤维层，相邻的纤维层就会阻碍裂纹的继续传播，因为纤维层的取向角度是不同的。”

研究人员还对材料进行了微弹道冲击测试，测算了材料的抗冲击性能（或吸能性能）——仿生材料的吸能值达到了40千焦/千克。研究人员表示，这意味着以200米/秒发射的5毫米钢球，会被13毫米厚度的仿生材料拦住去路。虽然它的抗冲击性还不及凯夫拉，但它在弹性等方面更具优势。如果研究人员能够加快材料的制造速度，并将更多的薄膜堆积在bouligand结构中，材料性能将更加出众。Lin说：“水凝胶型材料要想成为能承重的人造组织，强度和形变能力都是必不可少的。我们设计的材料恰好兼具这两种特性。”

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《Matter》

期刊编号：2590-2385

原文链接：

https://phys.org/news/2021-04-synthetic-gelatin-like-material-mimics-lobster.html