貽貝和其它的潮間帶生物已經掌握了吸附在巖石上的技能，以抵擋風浪的打擊

圖片來源：KollbeAhn

    在材料的世界里，剛性和彈性通常處于性能的兩端。通常情況下，材料彈性越強，它承受載荷和抵抗力的能力就越弱。而材料越是越堅硬，它在負載或力超過容量時就越容易斷裂。許多材料科學家的科研目標就是創造一種同時兼具高彈性與高剛性的材料。

    加州大學圣塔芭芭拉分校的科學家們距離這一目標更近了一步。在最近發表的一項研究中，作者KayetanChorazewicz、Sameer Sundrani和KollbeAhn描述了一種機制，即一種材料可以使其強度和剛度同時得到一定程度的提高。這篇題為“可以為合成聚合物系統增加韌性的生物激發功能梯度”的論文發表在了Macromolecular Chemistry and Physics雜志上。

    為了獲得靈感，研究人員將目光望向了海灘。

    該研究的作者之一Chorazewicz表示：“你可以從貽貝的足絲線程中同時觀察到剛性和延展性。”貽貝一生都生長在巖石潮間帶，因此保持穩固的能力是它們的立身之本。它們散發出的線程必須具有足夠的彈性，以保證它們足以接觸到不規則的巖石表面并吸收掉海浪的不斷沖擊，還必須具有足夠的剛性以防止貽貝自己跳進水中或者撞擊吸附的巖石。這兩種寶貴性能的完美結合是它們生活在復雜環境中的訣竅。

    研究人員在貽貝的啟發下，設計了一種新型的功能梯度材料，可以充分利用其內部不同成分的優點，并創建一個合成版的貽貝足絲線程，不僅同時兼具靈活性和強度，而且還可以在潮濕的環境中使用。

    這項技術的關鍵是將單體芐基丙烯酸酯（BZA）與三甘醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）交叉結合在一起，這是一種用于牙科修復填充物的常用聚合物。據研究人員介紹，交叉結合的意思并不是利用BZA或TEGDMA的單層創造一個“三明治”，而是使交叉結合產生的物質具有兩種材料都不具備的能力：在廣泛的溫度范圍內承受壓力和負荷的能力。通過調整共聚物的組合，會使其具有不同程度的彈性，就像足絲顯示的彈性梯度一樣，也可以使柔軟的膠原纖維芯轉化為堅硬的表皮。通過這種方式，材料既可以對壓力發揮吸收作用，也可以直接抵抗這種壓力。

    該研究的主要作者Sundrani表示：“它還可以有效防止斷裂在整個材料中的傳播”。如果遭遇過度的壓力，應變能就會被被重新定向和限制，一些材料會在可以接受的范圍內被消耗犧牲掉，同時避免整個結構的失效。

    這項技術具有廣闊的應用市場

    論文作者Ahn曾廣泛地研究過以肌肉為靈感的仿生聚合物，他表示：“如今，越來越多的材料被工程聚合物所取代，我們可以想象的任何負重材料均可以被聚合物材料取代。”包括更堅固的塑料、頭盔、建筑部件和更耐用的飛機、車輛和船只部件。

    此外，醫學、生物工程、生物電子學甚至是軟機器人領域均可以受益于這種功能梯度材料，比如用來制造假肢、人工關節和器官，或者柔軟的執行器和機器。

    Sundrani還表示：“除此之外它還可以用作已經存在材料的替代品，而不是完全取代它們，例如硬塑料，甚至是生物醫學植入物。”

    Chorazewicz說：“我們的功能梯度材料是一種新材料，可以提供各種各樣的功能，而不僅僅限于一個特定的領域，更為重要的是由于這些材料的性能是可調的，它們可以根據需求變硬或者變軟。”

    這篇論文是芭芭拉分校的研究指導計劃（RMP）利用合作所獲得的成果，這項指導計劃是一個夏季課程項目，將優秀的高中生和大四學生與大學研究人員配對，進行原創性研究。在他們發起這項研究的時候，Chorazewicz和Sundrani都是高中畢業班的學生。多虧了他們不同尋常的想法，以及Ahn在隨后六周所提供的幫助和指導，使得這篇論文的初級作者能夠進行研究，撰寫論文，并在他們開始大學生涯之前發表在同行評議的科學雜志上。Chorazewicz和Sundrani感謝了Ahn對他們的科學生涯提供了如此多的幫助，而Ahn則稱贊了這些學生的奉獻精神。

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責任編輯：殷鵬飛

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