原文發(fā)表于 《科技導報》2025年第6期科技新聞-深度報道

從自然界獲得消解應力的靈感——螳螂蝦表現(xiàn)出與人工超材料類似的聲子行為

螳螂蝦指節(jié)棒由名為布利岡結構的多層螺旋纖維組成。這種周期性結構可產生聲子帶隙，導致特定頻率范圍的應力波不能穿過這種材料，因此具有非同尋常的抗沖擊性天然聲子帶隙材料（圖片來 源：

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結構化超材料（由定制幾何形狀產生的不同尋常的人造結構）能按照設想的方式引導形變和能量流動。超材料的一個子集，“聲子帶隙”超材料，通過操縱機械波與材料周期性結構的相互作用，可以反射、散射或吸收能量。特定頻率范圍內的波無法穿過這種材料，從而產生聲子帶隙。這種效應可用于聲學成像、聲學隱形、抗沖擊和能量收集等技術。結構化超材料是人工制造的，自然界是否存在類似現(xiàn)象？2025年2月7日發(fā)表在

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自然界生物一直使用巧妙的機械波操縱策略以求生存。例如，飛蛾翅膀上覆有改良的微小絨毛（鱗片），能以相同的頻率共振。這些天然的聲音共振器提供了良好偽裝，有助于飛蛾躲避通過回聲定位的食肉蝙蝠。蚊子的觸角具有輕巧的、錐形幾何結構的振動毛狀結構，能夠探測到特定聲音信號，用于交配和覓食。除了聲波控制，自然界生物還可通過應力波控制機制解決結構上的挑戰(zhàn)。螳螂蝦以擁有可經受巨大沖擊的指節(jié)棒聞名。這種海洋甲殼動物使用這一附肢進行高速撞擊，以敲開對手的堅硬外殼，同時不會造成自身傷害。指節(jié)棒這種非同尋常的韌性，來自由多層螺旋纖維和礦化甲殼質組成的多級布利岡（Bouligand）結構。此類周期性結構可以分散應力波，并阻止裂紋傳播與聚集。這種層結構能夠促進局部硬化、損傷分散和能量耗散，為原本易碎的指節(jié)棒帶來類似塑性的變形能力。

聲子行為與表面張力波的相長和相消干涉交互作用類似。水面波紋或小提琴弦振動聲波均屬表面張力波。之前的理論認為，螳螂蝦使用聲子機制過濾應力波以抵抗沖擊，但在過去10年未能在實驗中驗證這一假設。Alderete等通過嚴格實驗證明了螳螂蝦指節(jié)棒的聲子屏蔽行為，并指出，增強的抗沖擊性是過濾應力波的結果，這種特性以前只存在于合成聲子晶體中。布利岡結構的周期性螺旋結構能夠選擇性衰減高強度撞擊產生的一系列應力波頻率（見圖）。這種過濾效應減少了局部應力集中，使施加的機械能分布更均勻。因此，指節(jié)棒外層可充當內層的抗損傷保護罩。

Alderete等進行了時間分辨激光超聲實驗，并在指節(jié)棒中觀測到關鍵的聲子行為，如布洛赫諧波、色散表面模式、平坦色散帶和布拉格帶隙，這些行為通常存在于合成聲子晶體中。指節(jié)棒在兆赫范圍內表現(xiàn)出布拉格帶隙，在該范圍內，某些特定頻率的波由于周期性結構的多次反射而發(fā)生相消干涉，從而衰減。研究人員還觀察到平坦色散帶（頻率恒定，與動量無關），這表明應力波已在材料中被局域化和捕獲。這些觀察表明，螳螂蝦通過復雜的聲子機制保護自己免受高頻沖擊。在天然存在的分層結構中，實驗證明的能量耗散和局域化，可為聲子帶隙材料的設計帶來新視角。

除Alderete等的研究外，在將天然材料用于工業(yè)應用方面仍然存在挑戰(zhàn)。將螳螂蝦的布利岡結構轉化為功能性聲子帶隙材料時，選擇的材料組合必須具有力學各向異性和強度，類似于蝦。此外，波的色散特性（即波的傳播速度和頻率之間的關系）由組成部分的結構和屬性決定。在設計具有應力波過濾結構的復合材料時，必須考慮這些因素。

鑒于結構層次和波動特性之間的相互作用，需要考慮聲子帶隙是否存在于不同物種的類似結構中。例如，甲蟲翅膀中的螺旋結構具有良好的強度和抗斷裂性。研究其他天然聲子結構并了解其局限性，有助于人類解鎖新的設計，超越現(xiàn)有抗沖擊材料和能量耗散系統(tǒng)。

文/Pablo D. Zavattier

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能“鎖水”的耐溫水凝膠——通過碳鏈固定水分子，使水凝膠在不同溫度下都具有彈性

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聚丙烯酰胺水凝膠圓盤（圖片來源：麻省理工學院新聞網）

水凝膠是一種可被水分子滲透的柔軟聚合物網絡。這種水合狀態(tài)使得水凝膠可用于生物醫(yī)學研究，以及隱形眼鏡和傷口敷料等消費品。與加熱或冷卻時發(fā)生狀態(tài)轉變的聚合物相反，水凝膠因具有水合作用而通常不發(fā)生聚合相變。然而，溫度變化會蒸發(fā)或凍結聚合物網絡中的游離水分子，從而改變水凝膠的力學性能，這將損害水凝膠的彈性，使其更易破裂。2025年2月28日，Zhang等在

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耐高溫水凝膠

一種由2種不同聚合物網絡組成的水凝膠能 夠有效地固定水分子，同時不會破壞其結構 完整性。被鎖住的水分使水凝膠在較大的溫 度范圍內都能保持彈性。

制備耐溫彈性水凝膠的主要挑戰(zhàn)在于如何將水分子有效固定于聚合物網絡內部。策略之一是為聚合物網絡設計官能團。一組具有不同化學性質的原子可與臨近水分子結合，而其他水分子可在聚合物網絡中自由流動。另一種方法是將吸濕鹽（從周圍環(huán)境吸收水分的化合物）摻入水凝膠。這種方法通過促進水分子與鹽中離子的相互作用，降低水分子的整體流動性。然而，由于吸濕鹽也會在水凝膠內運動，因此不能完全鎖住網絡中的水。

藻酸鹽通過離子相互作用形成網絡，聚丙烯酰胺鏈則通過共價鍵連接。這2個聚合物網絡間是共價交聯(lián)的。

研究人員利用硫酸碳化反應制備耐溫水凝膠。在該反應中，硫酸吸水并在材料上產生富碳殘留物。這種方法可形成硫酸水合物，將水分子成功固定于聚合物網絡。然而，這一反應會也分解聚合物，導致其碎裂，從而使水凝膠降解。為此，Zhang等設計了一種具有2個互穿聚合物鏈網絡的水凝膠，其中一個是犧牲網絡，與硫酸反應后在另一個聚合物網絡上形成碳層，用于保護和固定水分子（見圖）。雙網絡水凝膠設計具有更強的韌性，但尚未實現(xiàn)耐溫性。

藻酸鹽會與吸濕分子選擇性反應，將水分子固定于水凝膠內部，導致聚合物網絡斷裂。

藻酸鹽和吸濕分子之間發(fā)生反應，在聚丙烯酰胺網絡上形成保護性碳層。

實現(xiàn)選擇性碳化反應需要2種不同性質的聚合物。藻酸鹽（一種天然多聚糖）通過離子相互作用形成網絡，而聚丙烯酰胺（一種合成聚合物）則通過共價鍵連接。在該研究的硫酸碳化反應中，硫酸主要與藻酸鹽網絡反應，產生短碳鏈（“碳蛇”），同時保持交聯(lián)聚丙烯酰胺的結構完整性。在約143℃下觀察到的放熱峰證實了碳化反應。碳蛇可黏附并封裝聚丙烯酰胺網絡的主鏈，并作為屏障，保護聚合物免受過度反應和降解。最終獲得的水凝膠由單一的聚丙烯酰胺網絡構成，其表面覆有硫酸結合的碳層，可有效固定相鄰水分子。在較大的溫度范圍內，斷裂的藻酸鹽鏈或聚丙烯酰胺網絡中均未觀察到相變。這證實碳蛇能將水分子有效固定在水凝膠內部。此外，研究人員并未觀察到與水分子蒸發(fā)相關的放熱反應，而這種現(xiàn)象通常在高溫下的傳統(tǒng)水凝膠中出現(xiàn)。因此，耐溫水凝膠在-100~140℃之間能夠保持彈性。

在選擇性碳化策略下，需要有一個犧牲網絡，因此該方法看似不能用于單網絡水凝膠。為了證明該方法的通用性，研究人員由單一類型聚合物制成的水凝膠上進行反應實驗。這種合成聚合物（聚（N-乙烯基吡咯烷酮））可在酸性條件下形成活性側鏈。硫酸與這些較短的輔助鏈反應形成“碳蛇”，“碳蛇”將包裹構成主網絡的長鏈。得到的水凝膠在-112~135℃表現(xiàn)出相似的耐溫力學特性。

盡管研究人員的工作證實了固定水分子策略的普適性，但仍需進一步分析以闡明水凝膠耐溫性的潛在機理。其使用差示掃描量熱法，根據(jù)樣品吸收或釋放的熱量確定熱轉變，以證明水凝膠在極端溫度下不存在相變，并提出了一個合理假設，即固定的水分子抑制了水凝膠中聚合物和水的相變。然而，遠離聚合物鏈的水分子行為尚不可知。通過超分辨率拉曼顯微鏡之類的額外表征或可提供潛在機理的更詳細信息。

該研究的發(fā)現(xiàn)或具有深遠意義。目前，高性能水凝膠研發(fā)主要聚焦于優(yōu)化聚合物網絡結構設計，普遍忽視水凝膠中的水分子，因為一般認為其力學性能影響可忽略不計。此方法開辟了一條設計高性能水凝膠的新途徑，即策略性地安排水分子，使其固定于聚合物網絡內部。精確操縱水凝膠中水分子可使人們突破以前無法掌握的先進技術，包括但不限于組織防腐劑和阻燃劑。

文/Zhaohan Yu，Shaoting Lin

（譯自

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