劳伦斯·伯克利国家实验室朱莉超 鲤鱼鳞片横截面的光学显微镜图像，显示多层结构
信用:全等
一种现代板鱼鱼鳞的结构和机械适应性 人类从远古时代的鱼鳞中获得了技术灵感:罗马人、埃及人和其他文明会给他们的战士穿上鱼鳞盔甲，提供保护和机动性
现在，利用先进的x光成像技术，劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家已经对鲤鱼鳞片进行了纳米级的表征，使他们能够理解这种材料如何在保持柔韧性的同时抵抗渗透
研究人员在伯克利实验室的高级光源(ALS)中使用强大的X射线束来观察鲤鱼鳞片中的纤维在受到压力时是如何反应的
正如他们在最近发表在《物质》杂志上的论文中所写，他们的发现“很可能为设计具有前所未有的韧性和抗穿透性的先进合成结构材料提供进一步的灵感
" “生物材料的结构绝对令人着迷，”伯克利实验室材料科学部的首席作者罗伯特·里奇说，他和加州大学圣地亚哥分校的纳米工程和机械工程教授马克·迈耶斯一起领导了这项工作
“我们喜欢在工程材料中模仿这些特性，但第一步是看看大自然是如何做到的
" 鱼鳞有一个坚硬的外壳和一个柔软坚韧的内层
当像食肉动物的牙齿这样的东西试图沉入鱼鳞中时，外壳会抵抗渗透，但内部必须吸收所有多余的负荷，以保持鱼鳞完好无损
它是如何做到这一点的？原来，鳞片中的纤维是由胶原蛋白和矿物质组成的，呈扭曲的方向，被称为布洛根结构
当应力施加到材料上时，纤维依次旋转，以吸收多余的载荷
“这叫做适应性重新定向
它就像是一种智能材料，”里奇说，他也是加州大学伯克利分校的材料科学与工程教授
“使用一种叫做小角x光散射的技术，我们可以用同步加速器实时跟踪它
我们用x光照射它，我们实际上可以看到纤维在旋转和移动
" 科学家研究了鲤鱼鳞片的结构
一种现代板鱼鱼鳞的结构和机械适应性 另一方面，构成人类皮肤的胶原蛋白“就像一碗意大利面条一样乱七八糟，但它可以分解和排列以吸收能量，这使得皮肤难以置信地抗撕裂，”里奇说
鲤鱼鳞片中的蒲氏结构更有组织性，但仍然是一种非常有效的增韧机制
鲤鱼鳞片的另一个值得注意的特征是硬层和软层之间的梯度
“如果我们把它做成盔甲，我们就会在硬材料和软材料之间有一个界面
界面总是裂缝和故障开始的地方，”里奇说，他是研究材料如何失效的专家
“自然的方式:自然不是在一种材料和另一种材料之间有不连续的界面，而是从坚硬到柔软(更坚硬)的材料形成完美的梯度
" 该团队曾与加州大学圣地亚哥分校的研究人员合作，研究过arapaima，这是一种亚马逊淡水鱼，其鳞片非常坚硬，食人鱼和其他物种都无法穿透
在这项研究中，他们选择了鲤鱼，这是古代腔棘鱼的现代版本，也因其具有作为盔甲的鳞片而闻名
现在鲤鱼鳞片的变形和破坏机制已经被描述，下一个挑战是试图在工程材料中重现这些特性
里奇指出，三维打印技术的进步可以提供一种方法，像自然一样产生梯度，从而制造出既坚硬又有韧性的材料
“一旦我们更好地掌握了如何操纵三维打印，我们就可以开始制作更多的自然图像材料，”他说
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