據(jù)悉，許多安全關鍵的工程系統(tǒng)需要具有高沖擊吸收的透明材料?，F(xiàn)有的透明韌性復合材料具有更高的抗沖擊性，但由于沖擊吸收能力差，經(jīng)常會發(fā)生災難性的失效。來自蒙特利爾工學院的一個團隊2020年10月28日在《 Cell Reports Physical Science》上提出了一種使用3D打印技術制造透明的沖擊吸收復合材料，該復合材料再現(xiàn)了蜘蛛絲中涉及犧牲鍵和隱藏長度的增韌機制，可吸收多達95.6％的沖擊能量，而且不會斷裂。這一創(chuàng)新，為創(chuàng)造牢不可破的塑料外殼鋪平了道路。

Graphical Abstract圖形摘要

蜘蛛網(wǎng)是由它們的編織者進化而來的，用來耗散捕獲獵物時產(chǎn)生的巨大動能。與肌腱等其他堅韌的生物材料只有10%的吸收能量消散，90%作為彈性能量儲存在材料中不同，蜘蛛網(wǎng)吸收的能量有高達70%消散在系統(tǒng)之外。蜘蛛網(wǎng)主要通過分子鍵的斷裂、熵的增加以及徑向線的內(nèi)部發(fā)熱來消散能量。因此，在卸載時釋放的彈性能被最小化，以避免昆蟲在撞擊后被擺動的網(wǎng)彈射出去。徑向線中的能量耗散歸因于絲原纖維納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由β片狀納米晶體和半非晶域組成（圖1A）。拉伸后，半非晶域中氫鍵的斷裂和蛋白鏈的解開有助于較大的擴展性和高能量耗散。這就是所謂的犧牲鍵和隱藏長度(sacrificial bonds and hidden lengths, SBHL)機理。這種耗能機理的變化形式已經(jīng)成功地應用于水凝膠和彈性體，從而導致高達85％的高滯后性。研究人員試圖在微觀尺度上擴大這種分子水平的機制，以制造出可以吸收大量能量并像蜘蛛網(wǎng)一樣捕獲彈丸的新型沖擊吸收結(jié)構(gòu)復合材料(圖1B)。

↓↓↓圖1. 受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的透明減震復合材料的設計↓↓↓

▲圖1b. 受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的，透明的、吸收沖擊的復合材料，經(jīng)過五次反復的沖擊后，能捕捉到自由落體的棒球。棒球的重量為0.5千克，并從落鏢沖擊試驗機上從0.66米的高度掉落。沖擊前后復合材料的圖像顯示出犧牲鍵的斷裂和隱藏長度的展開，再現(xiàn)了蜘蛛絲的耗能機理。

受到蜘蛛網(wǎng)的啟發(fā)，蒙特利爾工學院的Frédérick Gosselin教授、Daniel Therriault教授以及博士生Shibo Zou希望展示如何將塑料織帶結(jié)合到玻璃板中以防止撞擊時破碎。

通過3D打印進行仿生

研究人員使用聚碳酸酯來達到目的。加熱時，聚碳酸酯像蜂蜜一樣變得粘稠。Gosselin教授的團隊使用3D打印機利用此特性來“編織”一系列厚度小于2毫米的纖維，然后通過垂直打印一系列新的纖維來快速重復該過程，然后快速移動，直到整個纖網(wǎng)固化為止。

在2015年發(fā)表的一篇文章中，Gosselin教授的團隊演示了這些纖維制造背后的原理（如下圖）。

該研究的主要作者Shibo Zou借此機會舉例說明了這種網(wǎng)在防護屏內(nèi)部時的行為。在將一系列纖維網(wǎng)嵌入透明樹脂板后，他進行了沖擊試驗。結(jié)果如何？塑料晶片可分散高達95.6％的沖擊能量而不會破裂。它們不會破裂，而是在某些地方變形，從而保持了晶圓的整體完整性。

參考文獻：Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10 … /adma.201500603/epdf