麻省理工学院朱棣文教授 显示了一个钢粒子穿透纳米纤维水凝胶并以降低的速度离开
前后速度的差异让研究人员可以直接测量材料的抗冲击性，或者说它能吸收的能量
信用:倪家华、林、赵宣和等 龙虾的下腹衬有一层薄薄的半透明膜，既有弹性，又出奇的坚韧
麻省理工学院的工程师在2019年报告说，这种海洋盔甲是由自然界中已知最坚硬的水凝胶制成的，这种水凝胶碰巧也非常柔韧
这种力量和伸展的结合有助于保护龙虾在海底爬行，同时也允许它来回弯曲游泳
现在，麻省理工学院的一个独立团队已经制造出一种基于水凝胶的材料，模仿龙虾下腹的结构
研究人员对这种材料进行了一系列拉伸和冲击测试，结果表明，与龙虾腹部相似，这种合成材料具有显著的“抗疲劳性”，能够承受反复拉伸和拉伸而不会撕裂
如果制造过程可以显著扩大，由纳米纤维水凝胶制成的材料可以用来制造有弹性和强度的替代组织，如人造肌腱和韧带
该小组的研究结果发表在《物质》杂志上
这篇论文的作者包括麻省理工学院的博士后倪家华和邵婷·林；研究生、孙；航空航天学教授劳尔·拉多维茨基；化学教授基思·纳尔逊；赵宣和教授；前研究科学家大卫·维塞博士
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16，现在斯坦福大学；还有锡拉丘兹大学的助理教授秦昭和陆军研究实验室的谢长廷
自然的扭曲 2019年，林和赵团队的其他成员开发了一种由水凝胶制成的新型抗疲劳材料——一种类似明胶的材料，主要由水和交联聚合物制成
他们用超薄的水凝胶纤维制造了这种材料，当这种材料被反复拉伸时，它们就像许多聚集的稻草一样排列在一起
这项锻炼还碰巧增加了水凝胶的抗疲劳性
显示了一个钢粒子穿透纳米纤维水凝胶并以降低的速度离开
前后速度的差异让研究人员可以直接测量材料的抗冲击性，或者说它能吸收的能量
信用:倪家华、林、赵宣和等 “当时，我们觉得水凝胶中的纳米纤维很重要，并希望操纵原纤维结构，从而优化抗疲劳性，”林说
在他们的新研究中，研究人员结合了多种技术来制造更强的水凝胶纳米纤维
该过程始于静电纺丝，这是一种利用电荷从聚合物溶液中拉出超薄细丝的纤维生产技术
该团队使用高压电荷从聚合物溶液中纺出纳米纤维，形成一层扁平的纳米纤维膜，每层约800纳米——只有人类头发直径的一小部分
他们将薄膜放在高湿度的室内，将单根纤维焊接成坚固的互联网络，然后将薄膜放在培养箱中，在高温下使单根纳米纤维结晶，进一步强化材料
他们测试了薄膜的抗疲劳性，把它放在一台机器上，反复拉伸数万次
他们还在一些薄膜上做了缺口，并观察了当薄膜反复拉伸时裂纹是如何扩展的
通过这些测试，他们计算出纳米纤维膜的抗疲劳能力是传统纳米纤维水凝胶的50倍
大约在这个时候，他们饶有兴趣地阅读了麻省理工学院机械工程副教授郭明的一项研究，他描述了龙虾下腹的机械特性
这层保护膜是由薄薄的甲壳质制成的，甲壳质是一种天然的纤维材料，在构成上类似于该组织的水凝胶纳米纤维
郭发现，龙虾膜的横截面显示出以36度角堆叠的甲壳质片，类似于扭曲的胶合板，或螺旋楼梯
这种旋转、分层的结构，被称为bouligand结构，增强了膜的拉伸和强度特性
“我们了解到龙虾下腹的这种bouligand结构具有很高的机械性能，这促使我们想看看是否能在合成材料中复制这种结构，”林说
倾斜建筑 倪、林和赵的团队成员与尼尔森的实验室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所的Radovitzky的团队以及雪城大学秦的实验室合作，研究他们能否利用合成的抗疲劳薄膜复制龙虾的bouligand膜结构
倪说:“我们通过静电纺丝制备了排列整齐的纳米纤维，以模仿龙虾下腹存在的中国纤维。”
在静电纺丝纳米纤维薄膜后，研究人员以连续的36度角堆叠五个薄膜中的每一个，形成一个单一的bouligand结构，然后焊接并结晶以强化材料
最终产品的尺寸为9平方厘米，厚度约为30至40微米——约为一小块透明胶带的大小
拉伸测试表明，这种龙虾造型的材料与天然材料的性能相似，能够反复拉伸，同时抵抗撕裂和裂缝——这种抗疲劳的衬里归功于该结构的倾斜结构
“直觉上，一旦材料中的裂缝穿过一层，它就会被相邻层阻挡，相邻层中的纤维以不同的角度排列，”林解释说
该小组还对该材料进行了微球撞击试验，该试验由尼尔森小组设计
当他们用微粒高速拍摄材料时，他们对材料进行成像，并测量粒子在撕裂材料前后的速度
速度的差异让他们可以直接测量这种材料的抗冲击性，或者它能吸收的能量，结果发现这种材料惊人地坚硬，每公斤40千焦
这个数字是在水合状态下测量的
“这意味着一个5毫米的钢球以每秒200米的速度发射，将被13毫米的材料阻挡住，”威塞尔说
“它不像凯夫拉尔那样耐磨，后者需要1毫米，但这种材料在许多其他方面都比凯夫拉尔强
" 毫不奇怪，这种新材料不像商用防弹材料那样坚硬
然而，它比大多数其他纳米纤维水凝胶如明胶和合成聚合物如聚乙烯醇要坚固得多
这种材料比凯夫拉尔纤维更有弹性
这种拉伸和强度的结合表明，如果它们的制造速度能加快，并且有更多的薄膜堆叠在bouligand结构中，纳米纤维水凝胶可以作为柔韧的人造组织
“水凝胶材料要成为一种承重的人造组织，强度和变形能力都是必需的，”林说
“我们的材料设计可以实现这两个特性
"
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