中國科學技術大學教授駱天治團隊與武漢大學副教授王正直、教授張作啟合作，研究了具有防禦功能的螳螂蝦尾刺（矛）和寄居蟹左螯（盾），綜合利用多種實驗手段揭示了其從奈米尺度到釐米尺度的化學梯度、微觀結構和力學性能之間的相關性，並通過有限元分析和3D列印技術確認兩種結構中的增韌機制和結構優化原理。相關成果日前分別發表于《ACS應用材料與介面》和《生物材料》。

生物界中存在許多梯度結構設計的攻擊與防禦“工具”，這些梯度材料為人類提供了多種倣生材料設計原理。螳螂蝦尾刺的外骨骼包括四個不同的結構層，每層都具有不同的微觀結構和化學成分特徵。這些層狀結構的局部力學性能與微結構和化學成分密切相關，幾者的組合有效地限制了裂紋的擴展，同時最大限度地釋放了變形過程中的應變能，提高了結構的整體韌性和強度。

研究人員使用3D列印技術製備了多個尾刺的倣生微結構，通過力學測試驗證了布林根（Bouligand）結構與徑向的平行層狀結構的組合，能極大地提高結構總體韌性和強度這一設計理念。這為製備高強高韌的倣生複合材料提出了一條新的路徑。

寄居蟹左螯的外骨骼分為五層。同樣，這些層狀結構的局部力學性能與微結構和化學成分也密切相關。特別是結構中三維正交排列的己丁質纖維通過橋接和拔出機制有效地提高了材料的斷裂韌性。

左螯穹頂狀形貌的局部曲率和三明治狀的層間力學性能分佈，從整體上為其抗擊外部攻擊提供了優化的力學性能，極大地降低了結構的變形和界面應力，展示了有效的防護功能。這為抗衝擊結構的優化設計提供了一種思路。（桂運安）

相關論文資訊：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c02867

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.04.012