力学与土木建筑学院“复杂系统动力学与控制”工信部重点实验室邓子辰教授团队在生物纤维材料断裂力学领域取得重要进展。该工作发展了一套纳米纤维网络模型以描述生物纤维的多尺度变形、损伤和断裂过程，系统揭示了蛛丝、蚕丝等生物纤维材料的分子解折叠机制对材料宏观力学性质的影响。相关成果以“A nanofibril network model of biological silks”为题，发表在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids（JMPS）上。论文的第一作者为该实验室燕翌副教授，西北工业大学邓子辰教授和清华大学冯西桥教授为该论文的共同通讯作者。

图1 论文信息

以蛛丝和蚕丝为代表的生物纤维材料具有出色的力学性质，包括高强度、高韧性和高断裂应变。这些出色的力学性质源于其历经长年进化所形成的优化多尺度结构，对生物纤维结构—性质关系的认识对于相关仿生材料的设计开发至关重要。然而，如何揭示生物纤维分子尺度的力学行为对宏观力学性质的影响，目前还缺少系统的认识。本研究发展了一套多尺度的纳米纤维网络模型以分析生物纤维材料的多尺度变形、损伤、断裂过程，特别是解析了蛋白分子解折叠行为的跨尺度力学影响。研究发现，共价键主导的蛋白分子内解折叠行为与氢键主导的分子间作用具有耦合效应，二者的联合作用使生物材料同时具有高强度和断裂应变。此外，分子间氢键还抑制了蛋白解折叠的力学不稳定性，使生物纤维的力学性质由微观至宏观逐步稳定化。这项工作提出了一种简洁有效的多尺度力学模型以描述生物纤维材料的多尺度力学行为，为仿生纳米纤维材料的多尺度设计提供了力学机制指导。

该研究工作得到了国家自然科学基金（12002184和11921002）的资助。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022509623002521

图2 生物纤维的多尺度微结构和本研究发展的多尺度纳米纤维网络模型

文/图：燕翌

审核：李栋