“食人鱼”都惹不起的鱼鳞的秘密被揭开！——最坚韧的柔性生物材料之一

每当提起南美洲亚马逊河，人们的印象中通常会浮现一种及其嗜血的生物“食人鱼”，作为亚马逊河流域的霸主，整个流域中几乎没有食人鱼不敢攻击的对象，它们那如同切割机般锋利的牙齿几乎可以撕碎任何鱼类的身体。

但就在亚马逊河里，却有一种食人鱼都惹不起的生物，这种动物就是——巨骨舌鱼（学名：Arapaima gigas），它们体长可达3米，体重可达200公斤。正是因为他们身上覆盖着一层既强又韧的特殊鱼鳞，才得以在亚马逊流域存活。

巨滑舌鱼

生物材料科学通过对自然材料进行研究，分析它们的结构，并找到它们功能背后的特性起源。这些知识反过来又可以用于设计改良合成材料。鱼鳞就是一种很好的仿生材料候选，因为它们是高效的天然皮肤盔甲，保护鱼类免受捕食者的伤害，同时又不妨碍它们的灵活性。因此，在工程材料上模仿它们的设计可以改进轻型装甲材料。

加州大学圣地亚哥分校的Wen Yang、权浩诚博士和加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授通过对巨骨舌鱼鳞的结构分析发现，鱼鳞外层存在着一层高度矿化结构，从而可以抵御食人鱼锋利牙齿的穿透性伤害；鱼鳞内层是一层柔软但强韧的胶原结构，按照“Bouligand”结构排布，赋予其适应过度变形的能力。

图1 巨滑舌鱼鳞片的结构图

为了证明该鳞片是自然界中最坚韧的柔性材料之一，作者提出了一种测试鱼鳞断裂韧性的新方法。一般而言，用于测量断裂韧性的力学参数主要为线弹性裂纹驱动力Kc和对应的非线性弹性能量参数Jc。但是鱼鳞的尺寸过小并且具有一定的塑性，不适用于线性弹性断裂韧性测试方法。因此作者分别提出利用非线性弹性断裂韧性Jc和一种紧凑型张力测试夹具来评价巨滑舌鱼鳞的断裂韧性。

图2 巨滑舌鱼鳞断裂机理照片

如图3所示，为了证明鱼鳞下层Bouligand结构的胶原层对于断裂韧性的贡献，作者使用预先开裂的鱼鳞（模仿由掠食者造成具有缺陷的鱼鳞）以说明受损的鳞片如何承受负载并提供保护。

图3 断裂韧性试验中裂纹尖端行为

实验证明，随着载荷增加裂纹开始扩展，由于鱼鳞外层硬度高且延展性低，矿化层首先在表面开裂并逐渐剥落；随着施加的载荷进一步增大，开裂的矿化层逐渐增大，脱落的矿化层碎片增多。由于矿化层是一种独立的区域结构，因此外力作用下仅发生局部剥落，而其他区域完好无损。裂纹尖端在扩展过程中分别经历钝化、前进和再钝化过程，并且在不同方向的片层结构中裂纹发生变形和再定向，最后在胶原层中发生层间分离。鱼鳞内部胶原层则通过纤维重定向、分离、分层、剪切、扭转和断裂等变形机制来抵抗裂纹的扩展。

图4 巨滑舌鱼鳞的断裂韧性

传统线性弹性断裂韧性测量通常没有考虑塑性变形所带来的的影响，但是对于小尺寸和塑性结构的鱼鳞而言，该种方法不太适用。因此作者通过非线性弹性断裂力学分析对于鱼鳞的韧性进行评价，巨滑舌鱼鳞的韧性经测量高达200 kJ∙m2（相当于大约6.4 MPa∙m1/2）。总而言之，鱼鳞的分级增韧机制通过胶原层状分离将能量耗散，胶原纤维桥联、滑移等方法实现如此高的韧性。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238519302292

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