《PNAS》刊發北航beat365英国官网网站程群峰教授課題組最新成果
2022年11月29日，《PNAS》以Research Article的形式發表了我校beat365英国官网网站程群峰教授課題組的最新研究成果"Ginkgo seed shell provides a unique model for bioinspired design"。張媛媛、毛佳俊、彭景淞為第一作者，程群峰教授為通訊作者，beat365英国官网网站為第一完成單位。
天然結構材料，如木材、骨骼、鮑魚殼等，均具有優異的力學性能，特别是對裂紋擴展的抵抗能力。這類材料的高斷裂韌性主要源于微納多級次微觀結構對裂紋的終止作用，即高效的外部增韌機理。而目前廣泛研究的天然結構材料，其力學性能大都具有高度各向異性。雖然高度各向異性的結構可以有效地實現外部增韌的效果，但是這種機理嚴重依賴于裂紋的擴展方向。例如，木材和骨骼等具有單軸取向的結構材料，裂紋沿縱向方向擴展的斷裂韌性遠小于橫向方向，極易發生嚴重的“劈裂”。所以，高度各向異性的材料難以抵抗全方向的裂紋擴展。
鑒于此，程群峰教授團隊研究發現了銀杏果殼的石細胞“互鎖”的獨特結構，它在不同方向上都具有優異的抵抗裂紋擴展的能力。銀杏果殼整體具有紡錘形的外表（圖1A），通過大量具有厚細胞壁的多邊形石細胞緊密地結合在一起形成（圖1B、C，1F、G和1J、K）。石細胞的内部次生壁中是半徑約為1.2微米的細長管道，即紋孔（圖1D、H、L）。這些紋孔從細胞中部的空腔延伸至胞間層，與相鄰石細胞的紋孔形成“紋孔對”結構（圖1E、I、M）。
圖 1.（A）銀杏果殼照片。（B至E）銀杏果殼斷面的掃描電鏡（SEM）照片，顯示緊密堆積的多邊形石細胞。白色虛線區域是紋孔對。（F至I）和（J至M）分别為銀杏果殼、互連石細胞、兩個相鄰石細胞和紋孔抛光表面的SEM照片和示意圖。
紋孔的掃描電鏡（SEM）和縱截面透射電鏡（TEM）照片顯示其具有中空的管狀結構，纖維沿着紋孔徑向方向取向，繞着紋孔纏繞，這種獨特的“紋孔對”結構将相鄰的細胞壁“互鎖”在一起（圖2A-G）。此外，通過原子力顯微鏡（AFM）測量微纖維角度對壓痕模量的影響，證明石細胞的細胞壁是由纖維素微纖絲螺旋堆疊平行排列形成（圖2H、I）。這種螺旋層狀的細胞壁能夠有效地承受平行于層的應力。
圖 2. （A）石細胞示意圖。（B）嵌入細胞壁并穿過胞間層的“紋孔對”示意圖。（C） “紋孔對”的縱向剖面示意圖。（D和E）SEM照片顯示像“螺釘”一樣鑽到細胞壁上的紋孔。（F）紋孔的TEM照片顯示纖維素微纖維沿着紋孔纏繞。（G）“紋孔對”的TEM照片。（H）石細胞橫截面的AFM照片和（I）微纖維角度對壓痕模量的影響。
這種由石細胞通過“紋孔對”互鎖在一起的獨特結構，對不同方向上裂紋擴展均具有優異的抵抗能力。預制裂紋三點彎測試表明（圖3A-D），各個方向的起擴斷裂韌性KIC基本一緻，約為1.26 MPa·m1/2，與木材、骨骼的KIC相當。同時，四個方向的裂紋擴展均存在有效的外部能量耗散機制，最高的KJC值可達4.82 MPa·m1/2。我們利用SEM-拉伸台聯用的原位系統觀察裂紋的擴展過程（圖3E-G），深入探究銀杏果殼的外部增韌機理。裂紋尖端處高倍的SEM照片可以清楚的觀察到裂紋傾向于沿着胞間層擴展（圖3E1-G1），從而産生裂紋偏轉和支化。石細胞單元可以傳遞形變，并在裂紋尖端之前引發細小的裂紋，促進裂紋橋接。
圖 3.（A）銀杏果殼中裂紋擴展的四個方向；（B）銀杏果殼四個方向的不同裂紋擴展長度（Δa）對應下的KJ（KJ為裂紋擴展過程中，基于J積分的強度因子）；（C）銀杏果殼四個方向的KIC和KJC；（D）銀杏果殼和其他天然及人造殼類材料的比韌性-比模量比較圖。裂紋擴展過程（E、F、G）及其對應的裂紋尖端高倍SEM照片（E1、F1、G1）。
該研究發現了銀杏果殼還存在一種獨特的紋孔誘導裂紋擴展機制。在施加載荷的情況下，石細胞中靠近胞間層的細胞壁會産生分層和撕裂。對斷裂形貌的詳細表征發現（圖4A-C，4A1-C1），裂紋從胞間層進入石細胞的入口就是紋孔，圖中顯示裂紋從紋孔處進入了石細胞内部，并貫穿整個石細胞。通過有限元仿真模拟探讨了紋孔誘導的裂紋擴展機理，結果顯示（圖4D-G），石細胞之間發生分離存在兩種最基本的形式：張開（拉伸），滑開（剪切）。這兩種模式下，紋孔誘導分别造成了細胞壁的撕裂與石細胞的貫穿。
圖 4. 裂紋擴展前（A）和擴展後（A1）的銀杏果殼截面SEM照片；裂紋擴展前（B）和擴展後裂紋尖端（B1）的高倍SEM照片，顯示了石細胞被撕裂的過程；裂紋擴展前（C）和擴展後裂紋尖端（C1）的高倍SEM照片，顯示了石細胞被貫穿的過程。有限元仿真模拟的結果：（D和F）石細胞以展張開的模式分離，造成石細胞的撕裂；（E和G）石細胞以滑開的模式分離，造成石細胞的貫穿。
這項開創性研究成果對天然殼類材料的力學性能與微觀結構的構效關系解析具有裡程碑式的意義，其核心是發現了銀杏果殼的紋孔互鎖石細胞的多級次微納米結構，從而賦予銀杏果殼全方向抵抗裂紋擴展的能力，為其他天然材料多級次構效關系解析提供了新的啟示。該工作也為今後制備複雜的、多級次的、力學性能各向同性的仿生納米複合材料奠定了理論基礎。
該工作得到中科院院士江雷教授的指導，beat365英国官网网站高精尖創新中心首席科學家Antoni P. Tomsia教授的大力合作和幫助，部分模拟計算得到北航高性能計算中心的大力支持。研究工作得到國家重點研發計劃 (2021YFA0715700)、國家傑出青年基金（52125302）、國家自然科學基金委項目（22075009, 51961130388, 21875010, 51522301, 21273017, 51103004, 51903125）、牛頓高級學者基金（NAF\R1\191235）、北京市傑出青年基金（JQ19006）、“111計劃”項目（B14009）、中國博士後基金（2018M640043, 2019T120038）和内蒙古大學“駿馬計劃” （10000-21311201/007）等項目的資助。
該論文的原文鍊接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211458119
程群峰課題組網站鍊接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/
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