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
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