国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  聲學換能器所用的薄膜材料需同時具備優異的力學性能和超薄特性，這對實現高靈敏度頻率響應與大幅振動至關重要。傳統的聚合物、金屬及陶瓷薄膜往往難以兼顧高強度、高韌性與良好的抗疲勞性能，這一局限嚴重制約了聲學換能器在高靈敏響應和長期穩定性方面的表現。近年來，納米增強技術的發展為聲學薄膜的性能提升提供了新思路。盡管這類技術在改善力學性能和優化頻率響應方面取得了一定進展，但由于納米填充體分散性差、界面相互作用弱等問題，其增強效果仍未能充分發揮。因此，開發綜合性能優異、適用于高性能聲學換能器的薄膜材料，仍然是當前面臨的重要技術挑戰。

  近期，中國科學技術大學仿生界面材料科學全國重點實驗室程群峰教授課題組與中國科學院理化技術研究所李明珠研究員課題組合作，發現蟬肋骨膜優異的力學性能主要源于其獨特的軟硬交替聚合物層狀結構。受這一自然結構啟發，研究團隊采用交替沉積界面交聯與納米限域結晶策略，成功開發出一種高力學性能仿生蟬肋骨膜（ARF）。該ARF材料的韌性放大系數達到蟬肋骨膜的2倍，并呈現長疲勞壽命。納米限域結晶效應可限制分子運動并將外力分散于晶體結構內部，從而增強力學性能。基于上述優勢，ARF在聲學換能器應用中展現出卓越性能，其頻率響應較商用聚合物薄膜提升2.7倍，位移振幅增益提高2.2倍。該研究不僅開拓了此類材料在聲學換能器中的應用新途徑，也填補了仿生全有機材料在構效關系研究與可控制備方面的空白，為后續開發高性能仿生有機材料提供了重要借鑒與思路。

  相關研究成果以“Cicada rib-inspired tough films through nanoconfined crystallization for use in acoustic transducers”為題發表在國際期刊《Science Advances》上【Sci. Adv. 2025, 11, adx9248】。

  蟬的發聲能力源于其鼓膜結構中肌肉系統與肋骨的協同作用，當鼓膜肌收縮牽拉肋骨時，肋骨產生向內彎曲運動，引發共振發聲，并由胸腹部的氣囊進一步放大聲音。蟬的鼓膜位于腹部與胸部連接處，其結構由長短交替的肋骨（Rib）通過富含節肢彈性蛋白的彈性膜（RRM）相互連接構成（圖1A, B）。肋骨橫截面呈現出明顯的周期性層狀結構（圖1C），肋骨中層的厚度范圍在150至450納米之間，平均厚度約為260納米。且該結構為全有機材料，由幾丁質和彈性蛋白交替堆疊組成（圖1D）。

圖1. 蟬肋骨膜的層狀交替結構及其仿生制備

  肋骨（Rib）展現出卓越的韌性和抗疲勞性能，這主要源于其層狀結構中顯著的模量差異以及結晶幾丁質的存在（圖2A-D）。硬質層的楊氏模量約為軟質層的兩倍，這種模量差異使得硬質層能夠有效承擔機械負荷，而軟質層則通過其變形能力延緩裂紋擴展（圖2E-G）。RRM同樣具有層狀交替結構；盡管其拉伸強度低于肋骨，但卻表現出更優異的耐疲勞性能（圖2H, I）。

圖2. 蟬肋骨膜的層間幾丁質結晶和力學性能

  通過層層交替旋涂（圖1E-G）酚醛樹脂（PF）和聚氧化乙烯（PEO）及界面交聯制備了仿生蟬肋骨膜（ARF）。由于較強的界面作用和交替層狀結構，ARF的拉伸強度達158.6 ± 7.9 MPa，韌性達9.3 ±1.2 MJ/m³。ARF在最大拉伸強度60%的載荷下經45,303次循環后斷裂（圖3A, B），顯示出優異的耐疲勞性能，其性能顯著優于純PF，純PEO，PF-PEO共混膜以及無界面交聯的PF-PEO薄膜。這種卓越性能源于軟質PEO層的能量耗散效應與增強的層間相互作用，有限元模擬結果進一步證實了層間模量倍數差和界面作用對于薄膜增強增韌的貢獻（圖3E-F）。

圖3. 仿生蟬肋骨膜的力學性能和斷裂機理

  除了模量差異對肋骨力學性能的貢獻外，層間的納米限域結晶也發揮著關鍵作用。當PEO層的厚度減小至約800 nm、150 nm和25 nm時，其結晶形態呈現顯著變化，可依次形成二維球晶、堆疊的面內片晶或單晶結構（圖4A, B）。隨著PEO層厚度變小，其結晶度不斷提高，同時楊氏模量也相應提升（圖4C）。其中，PEO層厚度為25 nm的ARF-III的拉伸強度達到最佳（圖4D）。在納米限域條件下，PEO分子鏈的流動性受到顯著抑制，界面間的鏈纏結作用增強，從而有效提升了材料的宏觀拉伸強度。此外，在不同結晶溫度中，80?°C條件下ARF-III的結晶峰最為顯著，表明該溫度更有利于其有序結構的形成（圖4E）。

圖4. 仿生蟬肋骨膜的限域結晶

  薄膜的楊氏模量與厚度共同決定了聲學換能器的聲音輸出質量，而其抗疲勞性能則直接影響器件長期工作的穩定性。通過納米限域效應與層間模量差異的調控，ARF薄膜在實現更薄厚度的同時，展現出優于多種商用薄膜的力學性能。這些特性使其能夠兼顧高效的聲音輸出與長期穩定的聲傳播表現，其基本共振頻率與振幅均優于對比的商業化薄膜（圖1G）。系統研究表明，隨著PEO層厚度從900 nm減小至25 nm，ARF薄膜的基本共振頻率呈現明顯上升趨勢（圖5A-B, D-E）。此外，基于ARF的換能器成功實現了高質量的音樂重放（圖5C）。這些優異性能表明，該仿生蟬肋骨膜在微型麥克風陣列、醫學超聲探頭等高精度聲學器件中具備重要的應用潛力。

圖5. 仿生蟬肋骨膜的聲學應用

  綜上所述，本研究揭示了蟬肋骨膜優異的韌性和抗疲勞性能源于其獨特的層狀結構：層間顯著的模量差異以及幾丁質結晶的存在，使硬質層能夠有效承載機械載荷，而軟質層則通過塑性變形有效抑制裂紋擴展。受此啟發，研究團隊采用軟質聚環氧乙烷與硬質酚醛樹脂交替沉積成功復現了該結構，并且通過納米限域策略，在PEO層中實現了單晶形成。基于層間相互作用和PEO納米限域結晶驅動的能量耗散機制，仿生蟬肋骨膜（ARF）的韌性和疲勞壽命得到顯著提升。這種納米限域效應最終使ARF作為聲學換能器表現出增強性能。這項全有機層狀復合材料的成功復現，為先進聲學換能器的設計開辟了新途徑。

  該工作得到中國科大蘇州高等研究院和仿生界面材料科學全國重點實驗室等平臺的大力支持。該工作還得到了國家杰出青年科學基金（52125302、22225502）、國家自然科學基金委原創探索計劃項目（52550002）、國家自然科學基金重點項目（22435004）、科技部重點研發計劃（2021YFA0715700）、蘇州實驗室開放課題基金（SZLAB-1108-2024-ZD002）、蘇州市仿生界面科學重點實驗室（SZ2024004）以及科學探索獎等項目的資助。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx9248

  下載：論文原文