防彈衣,、機(jī)器人,、醫(yī)用護(hù)具......

眾多耳熟能詳?shù)漠a(chǎn)品都離不開(kāi)：阻尼材料

阻尼材料,，指能將固體機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌牟牧?，常用于減少振動(dòng)和降低噪音。

材料的阻尼性能通常與其高韌性密不可分,。目前,，水凝膠等軟材料的高韌性可以通過(guò)引入能量耗散機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)（如動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵）,，但是在高速飛行物的沖擊下,，這類高韌性水凝膠仍然可能發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí),，通常由于極大地犧牲了材料的含水量等,，造成材料的高模量、機(jī)械不匹配及柔性保護(hù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)破壞,。至今,，兼具高阻尼性、高含水量和高柔性的水凝膠阻尼器仍鮮有報(bào)道,。

2023年10月20日,，受蝗蟲(chóng)腹板獨(dú)特的柔韌層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，基因組所梁翔禹課題組聯(lián)合大連理工大學(xué)劉田團(tuán)隊(duì)在Cell子刊《細(xì)胞報(bào)告·物理科學(xué)（Cell Reports Physical Science）》上在線發(fā)表文章“Damping Chitin Hydrogels by Harnessing Insect Cuticles-inspired Hierarchical Structures”,，報(bào)道了一種簡(jiǎn)單,、高效的仿生策略來(lái)設(shè)計(jì)并制造具有柔韌片層結(jié)構(gòu)的水凝膠阻尼器。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)可調(diào)節(jié)的雙溶劑交換工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的自組裝速率,、片層晶域尺度調(diào)節(jié),，進(jìn)而形成規(guī)則的層狀微/納米結(jié)構(gòu)。隨后,，他們通過(guò)工藝改進(jìn),，使用預(yù)先自組裝的纖維對(duì)片層結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng),，從而得到具有高抗沖擊（是常規(guī)商品化阻尼器性能的100倍）、高韌性（~2.1 kJ/m(3)）同時(shí)兼具高含水量（> 85 wt.%）和高柔性的水凝膠阻尼器（如圖1所示）,，用于對(duì)高速軟飛行物的保護(hù),。

圖1 | 仿昆蟲(chóng)外骨骼的水凝膠阻尼器的仿生設(shè)計(jì)與制備，片層結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)異的綜合性能（高抗沖擊性,、韌性,、斷裂能、強(qiáng)度,、模量和水含量）

為了驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)抗沖擊性能,，論文作者根據(jù)之前開(kāi)發(fā)的高速子彈沖擊裝置，并采用高速攝像機(jī)系統(tǒng)捕捉子彈軌跡和速度測(cè)量（視頻1）,。相對(duì)于傳統(tǒng)阻尼材料,，仿昆蟲(chóng)外骨骼阻尼水凝膠不僅有效地抵抗柔性PVA水凝膠子彈（15 m/s）的劇烈沖擊（如圖2、視頻2所示）,，還兼具保護(hù)柔性高速飛行物的功能,；同時(shí)具有優(yōu)異的抗疲勞、高力學(xué)強(qiáng)度,、韌性,，以及高含水量、低成本,、可完全生物降解等優(yōu)點(diǎn),，使其成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景中抵抗劇烈沖擊的新型軟材料，如醫(yī)療減震設(shè)備,、柔性鎧甲和軟機(jī)器人等,。此外，論文作者還系統(tǒng)地研究了這類水凝膠材料的多尺度微納結(jié)構(gòu),、分子互作,，揭示了抗沖擊水凝膠阻尼器的設(shè)計(jì)策略：沿片層及層間氫鍵的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)沖擊能量的快速耗散,。

視頻1|仿昆蟲(chóng)外骨骼阻尼水凝膠抗水彈沖擊及對(duì)高速軟體飛行物的保護(hù)性

圖2| 仿昆蟲(chóng)外骨骼水凝膠阻尼器的動(dòng)態(tài)抗沖擊性和對(duì)柔性高速飛行物保護(hù),，以及高力學(xué)強(qiáng)度、斷裂功等

視頻2|商品化阻尼材料的抗沖擊性及對(duì)高速軟體飛行物的保護(hù)性

大連理工大學(xué)博士生原烽堠,、張新星副教授為論文共同第一作者,，大連理工大學(xué)劉田教授、基因組所梁翔禹研究員和楊青研究員為本文共同通訊作者,。感謝大連理工大學(xué)王華楠教授和南方科技大學(xué)劉吉教授對(duì)本研究提供了支持,。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金,、湖南省自然科學(xué)基金,、深圳市自然科學(xué)基金,、深圳市博士后出站科研資助項(xiàng)目、大鵬區(qū)博士后出站科研資助項(xiàng)目和中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助,。

原文鏈接：

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