超出范围：鱼甲坚韧而柔韧– X射线束分析可能会导致合成材料显着

伯克利实验室的科学家对鲤鱼鳞进行了高科技成像，揭示了其非凡的特性，这些特性可能会导致使用高级合成材料。

人类从可追溯至远古时代的鱼鳞中汲取了技术灵感：罗马人，埃及人和其他文明会以铠甲为他们的战士穿衣，同时提供保护和机动性。现在，劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家利用先进的X射线成像技术，将鲤鱼鳞片的特征缩小到了纳米尺度，使他们能够了解这种材料在保持柔韧性的同时如何抗渗透。

研究人员在伯克利实验室（Berkeley Lab）的高级光源（ALS）中使用了强大的X射线束，以观察鲤鱼鳞片中的纤维在施加压力时如何反应。正如他们在最近发表在《物质》杂志上的论文中所写的那样，他们发现“很可能为具有前所未有的韧性和抗穿透性的先进合成结构材料的设计提供进一步的启发。”

鲤鱼鳞对渗透具有很高的抵抗力。先进的X射线成像技术已经揭示了原因。

伯克利实验室材料科学系的主要作者罗伯特·里奇（Robert Ritchie）说：“生物材料的结构绝对令人着迷。他是加州大学圣地亚哥分校纳米工程与机械工程学教授马克·迈耶斯（Marc Meyers）的负责人。“我们希望在工程材料中模仿这些特性，但第一步是看看自然是如何实现的。”

鲤鱼鳞的横截面的光学显微镜图像显示了多层结构。

鱼鳞具有坚硬的外壳和较软的内层，坚硬且易延展。当像食肉动物的牙齿那样的东西试图沉入鳞片时，外壳会阻止其穿透，但是内部必须吸收所有多余的负载才能将鳞片保持为一体。它是如何做到的？事实证明，鳞片中的纤维由胶原蛋白和矿物质组成，处于扭曲的方向，称为Bouligand结构。当对材料施加应力时，纤维会依次旋转以吸收多余的负载。

“这称为自适应重定向。就像智能材料一样，”里奇（Ritchie）说道，他同时也是加州大学伯克利分校材料科学与工程学教授。“使用一种称为小角度X射线散射的技术，我们可以使用同步加速器实时跟踪该技术。我们用X射线照射它，实际上我们可以看到纤维在旋转和运动。”

Ritchie说，另一方面，构成人体皮肤的胶原蛋白“都像一碗意大利面条一样被弄乱了，但是它可以散开并排列以吸收能量，这使皮肤极具抗撕裂性，” Ritchie说。鲤鱼鳞片的Bouligand结构更为有组织，但仍构成非常有效的增韧机制。

鲤鱼鳞的另一个值得注意的特征是硬层和软层之间的梯度。“如果我们将其作为装甲，我们将在硬质和软质材料之间建立一个接口。界面始终是裂缝和失效开始的地方，”材料失效方式专家里奇（Ritchie）说。“自然的方式：自然不会在硬质材料到软质（坚硬）材料之间形成完美的渐变，而不是在一种材料与另一种材料之间存在不连续的界面。

该团队与加州大学圣地亚哥分校的研究人员合作，此前曾研究过arapaima，这是一种亚马逊淡水鱼，其鳞片非常坚硬，难以被食人鱼和其他物种穿透。在这项研究中，他们选择了鲤鱼，这是古代腔棘鱼的一种现代版本，也以鳞片起装甲作用而闻名。

科学家研究了鲤鱼鳞片的结构。

既然已经对鲤鱼鳞的变形和破坏机理进行了表征，那么试图在工程材料中再现这些特性是下一个挑战。Ritchie指出3D打印技术的进步可以提供一种产生渐变的方式，就像自然界一样，从而使材料既硬又易延展。

他说：“一旦我们更好地掌握了如何操纵3D打印，我们就可以开始以自然的形象制作更多的材料。”

参考：郝成泉，文扬，Marine Lapeyriere，Eric Sc​​haible，Robert O.Ritchie和Marc A.Meyers撰写的“现代鲤鱼鳞
鳞的结构和机械适应性”，2020年6月5日，物质。DOI：
10.1016 / j.matt.2020.05.011

ALS是能源部科学办公室的用户设施。这项研究得到了空军科研办公室的资助。