河蚌壳开合50万次不坏！科学家挖到新型材料密码

你是否留意过河蚌？这种生活在江河湖泊里的小家伙，在滤食时，两片外壳不断地打开关闭，一生之中，这样的重复运动竟然要进行数十万次。

而连接河蚌两片外壳的部位 —— 铰链，在如此频繁的开合运动里，承受着反复变形，却始终能保持功能稳定，不会失效，这背后到底隐藏着怎样的秘密呢？

中国科学技术大学的俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队，就对这个问题展开了深入研究，并且成功破解了河蚌铰链耐疲劳的奥秘，还提出了一种耐疲劳材料设计的新思路，相关研究成果发表在了国际知名学术期刊《Science》上。​

河蚌两片外壳的部位 —— 铰链

中国科大副研究员茅瓅波介绍，河蚌的铰链部位有一个折扇形矿物区域，这里面含有大量的碳酸钙矿物。

大家都知道，碳酸钙是比较脆的，在河蚌外壳开合时，铰链整体会发生较大变形，可脆性的碳酸钙并不能承受这样的大变形，那河蚌是怎么解决这个矛盾的呢？

这其实也是当前含脆性功能组元的人工复合材料面临的难题：在长时间的循环载荷作用下，材料很容易累积损伤，产生疲劳裂纹，一旦裂纹开始扩展，就会对器件性能造成不可逆的影响。所以，科学家们急需找到新的耐疲劳结构材料设计思路。​

中国科大的研究团队经过深入研究，终于揭示了河蚌铰链耐疲劳的奥秘。原来，铰链中的折扇形区域组织起到了关键的力学支撑作用。

在折扇形区域，脆性的碳酸钙形成了超长纳米线，这些纳米线沿着扇形的径向整齐排列，并且嵌在柔性有机物中。当两片外壳开合时，脆性纳米线和柔性有机物相互配合。

研究人员解释说，柔性有机物承担了大部分的压缩和剪切应变，大大减少了铰链内部的应力集中，这样一来，就有效地避免了纳米线的断裂。

再往更小的尺度看，纳米线中间还有一种孪晶面结构，进一步增强了对变形的抵抗力。正是从大到小、一级级精妙的结构设计，让折扇形组织即便承受了较大形变，也很难出现疲劳损伤。​

研究人员还进一步提出了 “多尺度结构设计与成分固有特性相结合” 的耐疲劳设计新策略，通过巧妙的结构设计，充分发挥各种组分的优势，在保证材料功能性的同时，提升其在较大形变下的耐疲劳性能。

按照这个新策略，他们在实验室里制备出了一种玻纤 - 聚合物复合材料，并且初步验证了这种材料的疲劳抗性。​

研究人员表示，这项成果填补了材料学领域含脆性组元的材料在较大形变下耐疲劳设计的空白，对未来可变形耐疲劳材料的仿生设计与制备有着重要意义。

同期《Science》杂志观点栏目也发表评述，称赞通过整合不同尺度的原理，从铰链的整体结构到单个晶体的原子结构，研究团队揭示了大自然如何从脆性成分中创造出抗疲劳、可弯曲、有弹性的结构。​

为了解析河蚌铰链结构，研究团队可谓是使出了 “十八般武艺”。

他们先验证河蚌铰链的耐疲劳性能，经过近两周每天 24 小时不停歇的实验，发现哪怕经过高达 150 万次的循环变形，河蚌铰链依然没有表现出疲劳迹象，还能继续支持外壳的开合。

接着，借助中国科大国家同步辐射实验室、微纳研究与制造中心的科学装置给铰链做 “CT”，观察到铰链中有两个不同区域，根据形状和功能特点，分别将其命名为外韧带、折扇区。

同时，也弄清楚了这两个区域在力学上的作用：在外壳关闭过程中，折扇区通过变形，把外壳传来的源自闭壳肌的驱动力传递给外韧带，外韧带则积蓄能量；外壳打开时，外韧带中积蓄的能量释放，再通过折扇区传导打开外壳。

研究人员还利用 X 射线 “解剖” 折扇区的晶体学特征，通过数值模拟等手段，最终 “复原” 了河蚌开合过程中铰链各区域间的协同变形行为，从本质上揭示了铰链结构兼具高硬度、可变形和耐疲劳等特性的力学机理。​

说起来，这项研究早在 2021 年就开始了。当时，研究人员在观察河蚌外壳珍珠层时，偶然发现两壳中间的铰链部位微观结构和珍珠层完全不同，一下子就引发了他的兴趣。

在此之前，很多年里科学家们大多关注河蚌珍珠层的结构与力学性能，几乎没人注意到铰链区域，处理河蚌壳时，这个部位通常都被直接扔掉了。

这项研究，后来有其它的研究人员也加入进来，专心研究了 6 年。一开始，他们参照螳螂虾的研究思路，以为铰链研究很快就能完成，结果发现，对铰链了解得越深入，需要解释的问题就越多。但在导师的支持下，他们坚持了下来。做科研就像跑马拉松，贵在坚持，这也和俞书宏老师一贯提倡的甘于坐 “冷板凳” 的精神相契合。​

如今，这项历经多年的研究取得了重大突破，揭示了河蚌铰链的秘密，也为未来材料的设计和制备提供了新的方向。相信在科学家们的不断探索下，会有更多像这样从大自然中获得灵感的研究成果出现，为我们的生活带来更多的改变。