贻贝和其它的潮间带生物已经掌握了吸附在岩石上的技能，以抵挡风浪的打击

图片来源：KollbeAhn

    在材料的世界里，刚性和弹性通常处于性能的两端。通常情况下，材料弹性越强，它承受载荷和抵抗力的能力就越弱。而材料越是越坚硬，它在负载或力超过容量时就越容易断裂。许多材料科学家的科研目标就是创造一种同时兼具高弹性与高刚性的材料。

    加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家们距离这一目标更近了一步。在最近发表的一项研究中，作者KayetanChorazewicz、Sameer Sundrani和KollbeAhn描述了一种机制，即一种材料可以使其强度和刚度同时得到一定程度的提高。这篇题为“可以为合成聚合物系统增加韧性的生物激发功能梯度”的论文发表在了Macromolecular Chemistry and Physics杂志上。

    为了获得灵感，研究人员将目光望向了海滩。

    该研究的作者之一Chorazewicz表示：“你可以从贻贝的足丝线程中同时观察到刚性和延展性。”贻贝一生都生长在岩石潮间带，因此保持稳固的能力是它们的立身之本。它们散发出的线程必须具有足够的弹性，以保证它们足以接触到不规则的岩石表面并吸收掉海浪的不断冲击，还必须具有足够的刚性以防止贻贝自己跳进水中或者撞击吸附的岩石。这两种宝贵性能的完美结合是它们生活在复杂环境中的诀窍。

    研究人员在贻贝的启发下，设计了一种新型的功能梯度材料，可以充分利用其内部不同成分的优点，并创建一个合成版的贻贝足丝线程，不仅同时兼具灵活性和强度，而且还可以在潮湿的环境中使用。

    这项技术的关键是将单体苄基丙烯酸酯（BZA）与三甘醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）交叉结合在一起，这是一种用于牙科修复填充物的常用聚合物。据研究人员介绍，交叉结合的意思并不是利用BZA或TEGDMA的单层创造一个“三明治”，而是使交叉结合产生的物质具有两种材料都不具备的能力：在广泛的温度范围内承受压力和负荷的能力。通过调整共聚物的组合，会使其具有不同程度的弹性，就像足丝显示的弹性梯度一样，也可以使柔软的胶原纤维芯转化为坚硬的表皮。通过这种方式，材料既可以对压力发挥吸收作用，也可以直接抵抗这种压力。

    该研究的主要作者Sundrani表示：“它还可以有效防止断裂在整个材料中的传播”。如果遭遇过度的压力，应变能就会被被重新定向和限制，一些材料会在可以接受的范围内被消耗牺牲掉，同时避免整个结构的失效。

    这项技术具有广阔的应用市场

    论文作者Ahn曾广泛地研究过以肌肉为灵感的仿生聚合物，他表示：“如今，越来越多的材料被工程聚合物所取代，我们可以想象的任何负重材料均可以被聚合物材料取代。”包括更坚固的塑料、头盔、建筑部件和更耐用的飞机、车辆和船只部件。

    此外，医学、生物工程、生物电子学甚至是软机器人领域均可以受益于这种功能梯度材料，比如用来制造假肢、人工关节和器官，或者柔软的执行器和机器。

    Sundrani还表示：“除此之外它还可以用作已经存在材料的替代品，而不是完全取代它们，例如硬塑料，甚至是生物医学植入物。”

    Chorazewicz说：“我们的功能梯度材料是一种新材料，可以提供各种各样的功能，而不仅仅限于一个特定的领域，更为重要的是由于这些材料的性能是可调的，它们可以根据需求变硬或者变软。”

    这篇论文是芭芭拉分校的研究指导计划（RMP）利用合作所获得的成果，这项指导计划是一个夏季课程项目，将优秀的高中生和大四学生与大学研究人员配对，进行原创性研究。在他们发起这项研究的时候，Chorazewicz和Sundrani都是高中毕业班的学生。多亏了他们不同寻常的想法，以及Ahn在随后六周所提供的帮助和指导，使得这篇论文的初级作者能够进行研究，撰写论文，并在他们开始大学生涯之前发表在同行评议的科学杂志上。Chorazewicz和Sundrani感谢了Ahn对他们的科学生涯提供了如此多的帮助，而Ahn则称赞了这些学生的奉献精神。

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责任编辑：殷鹏飞

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