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《Cell》子刊:LEHU乐虎研发出仿蝗虫腹板高阻尼生物材料

2023-10-30 10:34:22来源:

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防弹衣、机器人、医用护具......


众多耳熟能详的产品都离不开:阻尼材料


阻尼材料,指能将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料,常用于减少振动和降低噪音。


材料的阻尼性能通常与其高韧性密不可分。目前,水凝胶等软材料的高韧性可以通过引入能量耗散机制来实现(如动态化学键),但是在高速飞行物的冲击下,这类高韧性水凝胶仍然可能发生结构破坏。同时,通常由于极大地牺牲了材料的含水量等,造成材料的高模量、机械不匹配及柔性保护对象的结构破坏。至今,兼具高阻尼性、高含水量和高柔性的水凝胶阻尼器仍鲜有报道。


2023年10月20日,受蝗虫腹板独特的柔韧层状结构启发,LEHU乐虎梁翔禹课题组联合大连理工大学刘田团队在Cell子刊《细胞报告·物理科学(Cell Reports Physical Science)》上在线发表文章“Damping Chitin Hydrogels by Harnessing Insect Cuticles-inspired Hierarchical Structures”,报道了一种简单、高效的仿生策略来设计并制造具有柔韧片层结构的水凝胶阻尼器。


团队通过可调节的双溶剂交换工艺实现对材料的自组装速率、片层晶域尺度调节,进而形成规则的层状微/纳米结构。随后,他们通过工艺改进,使用预先自组装的纤维对片层结构进行加强,从而得到具有高抗冲击(是常规商品化阻尼器性能的100倍)、高韧性(~2.1 kJ/m(3))同时兼具高含水量(> 85 wt.%)和高柔性的水凝胶阻尼器(如图1所示),用于对高速软飞行物的保护。


图1 | 仿昆虫外骨骼的水凝胶阻尼器的仿生设计与制备,片层结构特征及优异的综合性能(高抗冲击性、韧性、断裂能、强度、模量和水含量)


为了验证其动态抗冲击性能,论文作者根据之前开发的高速子弹冲击装置,并采用高速摄像机系统捕捉子弹轨�:退俣炔饬浚ㄊ悠�1)。相对于传统阻尼材料,仿昆虫外骨骼阻尼水凝胶不仅有效地抵抗柔性PVA水凝胶子弹(15 m/s)的剧烈冲击(如图2、视频2所示),还兼具保护柔性高速飞行物的功能;同时具有优异的抗疲劳、高力学强度、韧性,以及高含水量、低成本、可完全生物降解等优点,使其成为众多应用场景中抵抗剧烈冲击的新型软材料,如医疗减震设备、柔性铠甲和软机器人等。此外,论文作者还系统地研究了这类水凝胶材料的多尺度微纳结构、分子互作,揭示了抗冲击水凝胶阻尼器的设计策略:沿片层及层间氢键的协同调控,实现冲击能量的快速耗散。

视频1|仿昆虫外骨骼阻尼水凝胶抗水弹冲击及对高速软体飞行物的保护性



图2| 仿昆虫外骨骼水凝胶阻尼器的动态抗冲击性和对柔性高速飞行物保护,以及高力学强度、断裂功等


视频2|商品化阻尼材料的抗冲击性及对高速软体飞行物的保护性


大连理工大学博士生原烽堠、张新星副教授为论文共同第一作者,大连理工大学刘田教授、LEHU乐虎梁翔禹研究员和杨青研究员为本文共同通讯作者。感谢大连理工大学王华楠教授和南方科技大学刘吉教授对本研究提供了支持。


该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、湖南省自然科学基金、深圳市自然科学基金、深圳市博士后出站科研资助项目、大鹏区博士后出站科研资助项目和中国农科院创新工程等项目资助。


原文链接:

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(23)00467-8

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