具有突出机械性能的天然材料在微/纳米级尺度的常见模式表现出来,这种模式在不同生物物种中普遍存在。长期以来,为了再现大自然已经完善过程的东西,其中最吸引人的模式是螺旋状的图案,因为这种模式提供了增强的断裂韧性和抗损伤性可能性。由规则堆叠的纤维层组成的这类图案的结构(图1a)是其高适应性的起源:纤维之间的螺距旋转角度的变化(γ,图1a)反映了材料的机械响应变化。

在最近的一项研究中,Hespinosa教授和他的合作者通过对甲虫结构动物一生中不同阶段的一种玳瑁(Cotinis mutabilis)外骨骼结构的变化进行机械分析,证明了螺旋结构在自然界中的适应性行为。为了补充对螺旋结构作为高适应性系统的理解,他们采用3D打印技术再现合成了螺旋体结构,并研究其对变形和断裂力学进行了系统性分析。

在两个不同的发育阶段,即幼虫和成虫阶段,检查了甲虫的外骨骼(或角质层)及其螺旋基序的发育(图1b)。在发育阶段被调节的表皮层结构,具体为外胚层和内胚层中的纤维组织。在幼虫阶段,外胚层和内胚层是具有不同角度的不同螺旋结构(I型,图1c)。在成虫阶段,外胚层具有与幼虫相同的螺旋结构;然而,内胚层结构从螺旋状态转变为伪正交结构,该结构由正交排列的纤维交替层组成,这些纤维由薄的螺旋过渡区分开(II型,图1c)。外骨骼结构中的这些变化是出于对生物学需求的响应而发生的:在幼虫阶段,外胚层可以防止被捕食;在成年甲虫中,混合螺旋基序符合更复杂的功能,可以平衡保护(底层翅膀)与飞行力学(飞行期间产生扑翼力)之间的关系。

对甲虫外骨骼发育阶段研究揭示螺旋复合材料的机械性能变化-复合材料网

图1. a)螺旋结构的示意图。 b)从虫卵到成虫过渡时具有不同动物形态甲虫的典型生命周期示意图。 c)示显示了在幼虫阶段(I型)和成虫阶段(II型)的甲虫中的外胚层和内胚层的螺旋结构示意图。

在单轴拉伸载荷下测试的3D打印合成螺旋结构中再现了相同的图案功能交织。 这些合成的复合材料机械响应表现出弹性/非弹性和失效,它们所表现出来的性能很大程度上取决于层间的螺距角。对应力 - 应变数据的分析表明,通过减小俯仰角,可以增强整体韧性; 此外,较小的俯仰角会导致断裂形态,并具有更清晰的螺旋形图案(图2)。

对甲虫外骨骼发育阶段研究揭示螺旋复合材料的机械性能变化-复合材料网

图2.具有不同螺距角的合成螺旋状复合材料中的断裂表面的示意图:a)γ= 15°,b)γ= 60°,c)γ= 90°。对于每个俯仰角的纤维层(左)和分形图(右)。

通过自然优化结构和合成体系结构之间的并行性,Hespinosa教授得出结论,当大自然通过有效选择和组织构建块来实现高性能体系结构时,可以通过向合成复合材料结构方面设计来实现所需的化学机制和力学功能。作者提出,他们的研究成果将为设计生物灵感自适应性纤维复合材料铺平道路,最终可以揭示大自然是如何进化出专注于优化机械性能的结构。