重磅！中科大俞书宏团队最新成果登Science

TOP前言

“TOP大学来了”小编按，6月23日，中国科学技术大学俞书宏院士，吴恒安、茅瓅波为共同通讯作者在全球顶级期刊《Science》发表了一篇题为“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”的研究论文。中国科学技术大学为第一完成单位。

“TOP大学来了”小编按，6月23日，中国科学技术大学俞书宏院士，吴恒安、茅瓅波为共同通讯作者在全球顶级期刊《Science》发表了一篇题为“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”的研究论文。本文为中国科学技术大学2023年度第5篇Nature\Science（一作+通讯）。

科研团队成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制，提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳新策略，为未来耐疲劳结构材料的合理设计和制备提供了新的见解。

“人工材料难在制备，自然材料难在解析”，茅瓅波副研究员说，“从自然界获得的天然生物材料，它们不仅组成未知，而且其结构设计是从宏观尺度直达分子尺度。想要把如此复杂的材料结构以及性能之间的联系说清楚，十分具有挑战性。”

这项研究持续了十余年，从2013年就已经在俞书宏院士的指导下开始进行。2015年茅瓅波副研究员从他的师兄刘蕾那里接过这项工作，继续开展河蚌铰链的解析，但一直认为没有达到俞书宏院士期望的完成度。2017年，茅瓅波副研究员博士毕业后，和同年入学的师弟孟祥森开始合作继续推进这一研究工作，没想到一做又是六年。在长达近十年的研究工作中，是俞书宏院士对基础科学长期研究的坚守和信心，为工作的开展提供了最好的条件和保障，这也与他一贯提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做从0到1的科研”的科研理念高度一致，正是俞书宏院士对科研方向的远见、传承和坚持，最终才能够取得又一突破性的成果。

在研究过程中，团队也遇到了非常多的困难。

十年前测试仪器很难实现对于材料精细结构表征的要求，直到近些年国家和学校在这方面的投入加大，给了研究团队更好的平台条件去达到想要实现的目标。在研究铰链微观结构过程中，需要分析材料各个微区的晶体学取向，这需要用X射线单晶衍射仪连续做几百次测试。为此，生命科学实验中心负责单晶衍射仪的朱中良老师不仅陪着团队成员熬夜测试，还主持搭建了一个自动测试平台，极大减轻了实验负担。

其次，河蚌铰链的解析需要用到非常规的表征方式，这些都需要研究团队自己去设计和搭建装置。在这方面，有着丰富设计经验的工程学院博士后郑东昌提供了极大帮助。尽管团队经历了很多次的失败，但俞书宏院士一直都很支持这些原创性的探索，正是经过一次次失败的经验积累，最终才能取得完美的实验结果，并得到了审稿人的高度评价，称：“这份手稿展示了一个非常有趣的工作”（The manuscript presents a piece of very interesting work）、“这是一份令人兴奋的稿件。它集成了诸多表征技术来理解双壳纲铰链组织的显著疲劳抗性” （This was an exciting manuscript. It integrates a lot of different techniques to understand the remarkable fatigue-resistant properties of bivalve hinge tissue）、“这无疑激发了对生物复合材料的进一步研究，以设计抗疲劳性能增强的新材料”。(The work certainly motivates further investigation using bio-inspired composites for designing new materials with enhanced fatigue resistance.)

同期《Science》观点栏目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”为题发表了评述（Science 2023, 380, 1216-1218），评述称“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——孟等人揭示了大自然如何主要从脆性成分中创造出抗疲劳、可弯曲、有弹性的结构。这些跨尺度原理要求在最精细的尺度上精确，而软体动物如此精确地沉积壳的细胞和分子机制是一个正在探索的领域”；“匹配生物精细控制对于对生物启发材料感兴趣的人类工程师来说是一个特别的挑战，正如开发模仿珍珠质强度和韧性的复合材料所面临的困难所证明的那样”；“尽管孟等人研究的力学性能与这种特殊生物体的需求相匹配，这些原理如何在更广泛的系统范围内得到完善，这是令人兴奋的前景。”

如何阐明这种材料的构效关系也是一个难点。面对丰富的实验结果，研究团队仍然想要更为系统地阐明河蚌铰链组织优异耐疲劳性能和可变形能力背后的深层次原因。与俞书宏院士团队有过长期合作经验的工程科学学院吴恒安教授带领团队朱银波副教授、周立川博士等通过定量化建模和多尺度力学分析最终解决了这个难题，使得团队成功揭示了河蚌铰链组织从宏观到微观精细结构的力学行为。双方团队紧密合作，最终给出了贝壳铰链组织的多尺度结构与耐疲劳性能之间的清晰而令人信服的物理图像描述。

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