魚鱗

1.劉天宇在聚合物科學前沿有烹飪魚經驗的朋友應該知道，用菜刀用魚鱗切魚是一件吃力不討好的事情。魚鱗需要刮，而不是強行破壞。魚鱗是魚的堅硬盔甲，但魚游動時鱗片不會斷裂。魚鱗為什么這么神奇？來自加州大學圣地亞哥分校勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的研究團隊最近正在研究此事。

2.該雜志發表了他們對這個問題的回答。研究人員發現，鯉魚魚鱗的多級結構及其在應力作用下相應的微觀結構變化是魚鱗韌性的奧秘。

3.要解釋魚鱗堅韌的奧秘，我們必須首先了解carp魚鱗的結構（圖1）。每件魚鱗由暴露的深色部分和層壓的淺色部分組成（圖1B）。暴露部分具有帶礦化突起的粗糙表面（圖1C和d）。這些突出的表面完全被真皮纖維覆蓋（圖1E）。層壓淺色零件表面有規則的層狀結構，并伴有裂紋（圖1F、G）。放大后，可以看到表面由直徑為30-50納米的礦化纖維組成（圖1H）。從橫截面上看，魚鱗由三層組成:表皮、礦化外層和Bouligand內層（從上到下）（圖1I，J），外層比內層礦化程度更高。

4.圖一。carp魚鱗的整體結構。來源:Matter

5.在電子顯微鏡下，可以看到Bouligand層具有層狀結構。每層的方向不同，相鄰層之間的夾角基本相同（圖2A）。每一層都由密集的膠原纖維并排組成（圖2B），纖維相互橋接形成纖維束（圖2C）。事實上，纖維束通過堵塞和堆疊形成的螺旋樓梯結構是Bouligand結構。這種結構在蟹殼和甲殼類動物中都存在。

6.圖二。鯉魚魚鱗boul配體層的形態。來源:Matter透射電鏡顯示，橫截面為魚鱗的膠原纖維束之間有膠原纖維（圖3）。密集的橢圓形顆粒是膠原束切片，如圖2所示。貫穿其中的蛋白質纖維如“繩子”一般，串起橢圓形膠原纖維束“甲片”。

7.圖3。鯉魚膠原纖維穿透魚鱗示意圖魚鱗。來源:物質了解鯉魚的結構魚鱗。讓我們來看看魚鱗如何應對外部壓力。作者使用光學顯微鏡觀察了魚鱗在不同應變程度下的結構（圖4）。當應變低于0.2時，魚鱗的微觀結構沒有明顯變化。當應變達到0.2魚鱗時，外層發生斷裂，應力增長減緩并略有下降。當應變達到0.25時，外層完全開裂脫落。剝離后外層應力迅速下降，但魚鱗并未完全斷裂。骨折仍由纖維連接。表1總結了魚鱗的機械性能。從表中數據來看，鯉魚魚鱗力學性能的各向異性較弱，表皮的存在對魚鱗力學性能的影響不大。

8.圖4。鯉魚魚鱗的橫向應力應變曲線及不同階段的結構變化。尺子:一個插圖:5毫米；；b–J:1毫米。資料來源:事項表1。鯉魚機械性能參數魚鱗。全鱗是完整的鱗片，膠原層是沒有表皮的鱗片。

9.作者還利用小角X射線散射（SAXS）檢測了魚鱗微結構在應力作用下的變化，總結了魚鱗抵抗外應力的微觀過程。魚鱗外部礦化層提供了第一層保護。它可以承受壓力，直到完全斷裂和剝離（圖5A）。下Bouligand層也參與耗散應力。其中平行于應力的膠原束可以產生拉伸變形，直到層分離（圖5B）。與應力成一定角度的膠原纖維束可以沿應力方向扭曲，同時變形以儲存應力（圖5C和d）。此外，這些層可以移位以進一步分散應力（圖5E、F）。

10.圖5。應力作用下鯉魚魚鱗結構變化的微觀過程示意圖。來源:Matter

11.研究人員目前正在研究通過3D打印合成類鯉魚魚鱗材料。這些材料有望制造出輕而堅韌的裝甲。人類永遠不會停止追隨大自然的腳步。

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