北京航空航天大学化学学院教授程群峰团队研讨之后发现，银杏果壳的石细胞具有共同的“互锁”结构，为未来制备杂乱的、力学功用各向同性的仿生纳米复合资料供给启示。相关研讨成果近来在线宣布于美国《国家科学院院刊》。
鲍鱼壳、骨骼、木材等天然资料一般很巩固，被以为具有优异才能的力学功用，尤其是开裂韧性。原因是其在开裂过程中，裂纹往往会发生偏转或桥接现象，在材猜中扩展的阻力更大。
“举个比方，叠放在一同的两张A4纸，很容易就能把它们分隔，若将两张纸用胶水粘或订书钉订在一同就很难被分隔，中心的阻力就包含桥接力。”论文通讯作者程群峰告知《我国科学报》。
航空航天配备所用的碳纤维复合资料一般也是如此。事实上，金属资料在各个方向均具有高开裂韧性，但其密度大等缺点也清楚明了。
“天然材猜中是不是真的存在像金属相同具有各向同性的高韧性资料呢？”程群峰说。他们挑选植物果壳，是因植物种子壳可维护胚胎免受损害，作为天然且“完美”的屏障，它“刚柔并济”。
已有研讨标明，果壳结构是多层次的，包含器官、安排、细胞、亚细胞、纤维等，且强韧的力学功用与此结构有关。比方，核桃壳和高兴果壳的石细胞边际呈锯齿状，被称为“三维拼图石细胞”。又如，巴西坚果微结构中含有很多纤维。
“虽然研讨者们意识到果壳存在多级次结构，但整体研讨只是在单一标准上（如在细胞层次、纤维层次等）解析了坚果壳的微观结构与功用的联系，关于坚果壳的跨标准三维微观结构及结构功用联系有待进一步研讨。”程群峰说。
研讨人员尝试了许多植物果壳，终究发现银杏果壳或许是抱负的资料，这一成果令人兴奋。而北京随处可见的银杏果树也给他们供给了丰厚的研讨原资料。
天然资料的内部微观结构决议了其优异的力学功用。研讨人员首要具体解析了银杏果壳的内部微观结构，发现其具有典型的多级次微纳米复合结构，尤其是银杏果壳的石细胞具有共同的“互锁”结构。
程群峰介绍，银杏果壳外形似纺锤，通过很多具有厚细胞壁的多边形石细胞紧密结合在一同。石细胞的内部次生壁中是半径约1.2微米的细长管道，即纹孔。纹孔是中空的管状结构。纹孔从细胞中部的空腔延伸至胞间层，与相邻石细胞的纹孔构成“纹孔对”。纤维沿着纹孔径向方向取向，绕着纹孔环绕，这种共同的“纹孔对”结构将相邻的细胞壁“互锁”在一同，被称为“螺钉互锁结构”。
研讨人员通过扫描电镜-拉伸台联用的原位检测体系发现，银杏果壳还存在一种共同的纹孔诱导裂纹扩展机制，纹孔会诱导裂纹进入石细胞内部，撕裂内部层状的石细胞，或许顺着纹孔直接贯穿整个石细胞使得裂纹进入到其中心的空腔。
“银杏果壳的共同结构使它在向各个方向裂纹扩展时的开裂韧性根本共同。”程群峰说，比较于不同方向开裂韧性相差10~20倍的木材等各向异性资料来说，银杏果壳显示出各向同性的特色。一起，4个方向的裂纹扩展均存在裂纹偏转和桥接、纤维拔出等“坚持巩固”的机制。
此外，研讨还发现，银杏最高的开裂韧性乃至接近于鲍鱼壳、昆虫表皮及其他人工壳资料。这一共同结构，为科学家规划各向同性的块体资料供给了新的仿生启示。
2010年，在中科院院士、北京航空航天大学化学学院院长江雷的举荐下，程群峰参与化学学院，从事高分子纳米复合资料研讨工作。2013年，程群峰在美国参与学术会议期间， 一直以来着重“师法天然”研讨的江雷重视到了坚果果壳，便给他发了一条信息：“可优先考虑一下天然果壳的力学功用。”
回国后，程群峰很快就安排学生体系调研了许多天然果壳资料，对已有的天然结构资料做了很多比较后有了新发现，大部分具有独特结构的资料，往往在某一个方向上的力学功用很优异，但在其他方向上却不很抱负。
天然界是一个调和的体系，已然存在各向异性的天然资料，那么也必定存在各向同性的天然资料。程群峰再次燃起决心，体系表征了银杏果壳的微观结构及其各向同性的开裂韧性，成果让他非常振作。
2019年，程群峰团队便已完结论文。但是，因为很少有人重视植物与资料的跨学科范畴，审稿人提出了苛刻的问题。为此，该团队又通过弥补试验、重复修正，历经3年使论文终究得以宣布。
程群峰说，现在研讨还逗留在对天然资料本征功用和结构的发现上。下一步，他们将考虑使用仿生启示，尽力构筑具有新颖功用的块体结构资料，并改动传统资料规划的规矩，发挥结构功用一体化资料规划思路，创制更轻、更强、更韧的新一代结构资料，将其应用在日子的方方面面。