类似于明胶的合成材料模仿龙虾腹部的伸展和力量

龙虾的腹部衬有一层薄而透明的薄膜，既可拉伸，又出奇的坚韧。正如麻省理工学院的工程师在2019年所报道的那样，这种海军陆战队装甲是由自然界中最坚韧的已知水凝胶制成的，该水凝胶也具有很高的柔韧性。强度和伸展性的结合帮助龙虾在海底上爬行时遮挡了龙虾，同时还使其来回弯曲以游泳。

现在，一个独立的MIT团队已经制造出一种基于水凝胶的材料，该材料模仿了龙虾的肋骨的结构。研究人员对该材料进行了一系列的拉伸和冲击测试，结果表明，与龙虾的腹部相似，这种合成材料具有显着的“抗疲劳性”，能够承受反复的拉伸和拉伸而不会撕裂。

如果制造工艺可以大幅度扩大规模，那么由纳米纤维水凝胶制成的材料可用于制造可拉伸且坚固的替代组织，例如人造肌腱和韧带。

小组的结果发表在《物质》杂志上。该论文的麻省理工学院合著者包括博士后倪佳华和林绍廷。研究生刘新跃，孙玉晨;航空航天学教授劳尔·拉多维茨基(Raul Radovitzky);化学教授基思·纳尔逊(Keith Nelson)机械工程学教授赵选河;以及前研究科学家David Veysset博士。16岁，现就读于斯坦福大学;锡拉丘兹大学(Syracuse University)助理教授赵琴，以及陆军研究实验室的谢国庆(Alex Hsieh)。

大自然的转折

在2019年，Lin和Zhao小组的其他成员开发了一种新型的由水凝胶制成的抗疲劳材料，即一种类似明胶的材料，主要由水和交聚合物制成。他们用超细的水凝胶纤维制造了这种材料，当反复拉伸该材料时，它们像许多捆吸管一样排列。该锻炼还增加了水凝胶的抗疲劳性。

Lin说：“那时候，我们感觉到水凝胶中的纳米纤维很重要，并希望操纵纤维结构，从而优化抗疲劳性。”

在他们的新研究中，研究人员结合了多种技术来制造更坚固的水凝胶纳米纤维。该过程从静电纺丝开始，静电纺丝是一种纤维生产技术，使用电荷将超细线从聚合物溶液中拉出。该团队使用高压电荷从聚合物溶液中纺出纳米纤维，以形成一层纳米纤维平膜，每层膜长约800纳米，仅是人类头发直径的一小部分。

他们将薄膜放置在高湿度的室内，将单根纤维焊接成坚固的相互连接的网络，然后将薄膜放置在培养箱中，以使单根纳米纤维在高温下结晶，从而进一步增强了材料的强度。

他们通过将薄膜放置在机器中反复拉伸数以万计的循环中，测试了薄膜的抗疲劳性。他们还在一些薄膜上开了一个缺口，并观察了裂缝在薄膜反复拉伸时是如何传播的。通过这些测试，他们计算出纳米纤维薄膜的抗疲劳性是传统纳米纤维水凝胶的50倍。

大约在这个时候，他们感兴趣地阅读了麻省理工学院机械工程副教授郭明的一项研究，该研究描述了龙虾腹部的机械特性。这种保护膜是由几丁质的薄片制成的，几丁质是一种天然的纤维材料，其成分类似于该集团的水凝胶纳米纤维。

郭发现龙虾膜的横截面显示几丁质片以36度角堆叠，类似于扭曲的胶合板或螺旋楼梯。这种旋转的分层结构(称为bouligand结构)增强了膜的拉伸性能和强度。

林说：“我们了解到，龙虾肋骨中的这种bouligand结构具有很高的机械性能，这促使我们去研究是否可以在合成材料中复制这样的结构。”

斜角建筑

Ni，Lin和Zhao小组的成员与MIT锡拉丘兹大学士兵纳米技术研究所的Nelson实验室和Radovitzky小组以及锡拉丘兹大学Qin的实验室合作，研究他们是否可以使用合成的抗疲劳薄膜重现龙虾的bouligand膜结构。 。

Ni说：“我们通过静电纺丝来制备对齐的纳米纤维，以模仿龙虾肋骨中存在的几丁质纤维。”

在对纳米纤维薄膜进行静电纺丝后，研究人员将五张薄膜中的每张薄膜以连续的36度角堆叠在一起，以形成单一的bouligand结构，然后将它们焊接并结晶以强化材料。最终产品的尺寸为9平方厘米，厚约30至40微米-大约相当于一小片透明胶带的大小。

拉伸测试表明，龙虾风格的材料与其天然材料的性能相似，能够反复拉伸，同时抗撕裂和裂痕-耐疲劳性Lin归因于该结构的倾斜结构。

Lin解释说：“直觉上，一旦材料中的裂纹扩展通过一层，它就会受到相邻层的阻碍，在相邻层中，纤维以不同的角度排列。”

该团队还使用尼尔森小组设计的实验对该材料进行了微弹冲击测试。他们对材料进行高速成像时，对材料进行了成像，并测量了材料撕裂前后的速度。速度的差异使他们可以直接测量材料的抗冲击性或它可以吸收的能量，结果证明这是令人难以置信的坚韧40千克/千克。该数字是在水合状态下测量的。

Veysset说：“这意味着以每秒200米的速度发射的5毫米钢球将被13毫米的材料所阻拦。” “它的耐力不如凯夫拉尔，后者需要1毫米，但在许多其他类别中，其材料都胜过凯夫拉尔。”

毫不奇怪，这种新材料不如商业弹道材料那么坚韧。但是，它比大多数其他纳米纤维水凝胶(例如明胶)和合成聚合物(例如PVA)要坚固得多。该材料也比凯夫拉尔(Kevlar)更具弹力。拉伸和强度的这种结合表明，如果可以加快其制造过程，并且将更多的薄膜堆叠在bouligand结构中，则纳米纤维水凝胶可以充当柔软而坚韧的人造组织。

林说：“水凝胶材料要成为能够承受负荷的人造组织，就需要强度和可变形性。” “我们的材料设计可以实现这两个特性。”

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