連“食人魚”都惹不起的最堅韌生物材料原來長這樣

　　每當提起南美洲亞馬遜河，人們的印象中通常會浮現一種及其嗜血的生物“食人魚”，作為亞馬遜河流域的霸主，整個流域中幾乎沒有食人魚不敢攻擊的對象，它們那如同切割機般鋒利的牙齒幾乎可以撕碎任何魚類的身體。

　　但就在亞馬遜河里，卻有一種食人魚都惹不起的生物，這種動物就是——巨骨舌魚（學名：Arapaima gigas），它們體長可達3米，體重可達200公斤。正是因為他們身上覆蓋著一層既強又韌的特殊魚鱗，才得以在亞馬遜流域存活。

巨骨舌魚

　　生物材料科學通過對自然材料進行研究，分析它們的結構，并找到它們功能背后的特性起源。這些知識反過來又可以用于設計改良合成材料。魚鱗就是一種很好的仿生材料候選，因為它們是高效的天然皮膚盔甲，保護魚類免受捕食者的傷害，同時又不妨礙它們的靈活性。因此，在工程材料上模仿它們的設計可以改進輕型裝甲材料。

　　加州大學圣地亞哥分校的Wen Yang、權浩誠博士和加州大學伯克利分校的Robert O. Ritchie教授通過對巨骨舌魚鱗的結構分析發現，魚鱗外層存在著一層高度礦化結構，從而可以抵御食人魚鋒利牙齒的穿透性傷害；魚鱗內層是一層柔軟但強韌的膠原結構，按照“Bouligand”結構排布，賦予其適應過度變形的能力。

圖1 巨骨舌魚鱗片的結構圖

　　為了證明該鱗片是自然界中最堅韌的柔性材料之一，作者提出了一種測試魚鱗斷裂韌性的新方法。一般而言，用于測量斷裂韌性的力學參數主要為線彈性裂紋驅動力Kc和對應的非線性彈性能量參數Jc。但是魚鱗的尺寸過小并且具有一定的塑性，不適用于線性彈性斷裂韌性測試方法。因此作者分別提出利用非線性彈性斷裂韌性Jc和一種緊湊型張力測試夾具來評價巨骨舌魚鱗的斷裂韌性。

圖2 巨骨舌魚鱗斷裂機理照片

　　如圖3所示，為了證明魚鱗下層Bouligand結構的膠原層對于斷裂韌性的貢獻，作者使用預先開裂的魚鱗（模仿由掠食者造成具有缺陷的魚鱗）以說明受損的鱗片如何承受負載并提供保護。

圖3 斷裂韌性試驗中裂紋尖端行為

　　實驗證明，隨著載荷增加裂紋開始擴展，由于魚鱗外層硬度高且延展性低，礦化層首先在表面開裂并逐漸剝落；隨著施加的載荷進一步增大，開裂的礦化層逐漸增大，脫落的礦化層碎片增多。由于礦化層是一種獨立的區域結構，因此外力作用下僅發生局部剝落，而其他區域完好無損。裂紋尖端在擴展過程中分別經歷鈍化、前進和再鈍化過程，并且在不同方向的片層結構中裂紋發生變形和再定向，最后在膠原層中發生層間分離。魚鱗內部膠原層則通過纖維重定向、分離、分層、剪切、扭轉和斷裂等變形機制來抵抗裂紋的擴展。

圖4 巨骨舌魚鱗的斷裂韌性

　　傳統線性彈性斷裂韌性測量通常沒有考慮塑性變形所帶來的的影響，但是對于小尺寸和塑性結構的魚鱗而言，該種方法不太適用。因此作者通過非線性彈性斷裂力學分析對于魚鱗的韌性進行評價，巨滑舌魚鱗的韌性經測量高達200 kJ?m2（相當于大約6.4 MPa?m1/2）。總而言之，魚鱗的分級增韌機制通過膠原層狀分離將能量耗散，膠原纖維橋聯、滑移等方法實現如此高的韌性。

　　論文鏈接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519302292