螳螂虾“拳套”自带声子“盾”；耐温水凝胶通过“锁水”在不同温度下保持弹性 | 深度报道

原文发表于 《科技导报》2025年第6期科技新闻-深度报道

从自然界获得消解应力的灵感——螳螂虾表现出与人工超材料类似的声子行为

螳螂虾指节棒由名为布利冈结构的多层螺旋纤维组成。这种周期性结构可产生声子带隙，导致特定频率范围的应力波不能穿过这种材料，因此具有非同寻常的抗冲击性天然声子带隙材料（图片来 源：

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结构化超材料（由定制几何形状产生的不同寻常的人造结构）能按照设想的方式引导形变和能量流动。超材料的一个子集，“声子带隙”超材料，通过操纵机械波与材料周期性结构的相互作用，可以反射、散射或吸收能量。特定频率范围内的波无法穿过这种材料，从而产生声子带隙。这种效应可用于声学成像、声学隐形、抗冲击和能量收集等技术。结构化超材料是人工制造的，自然界是否存在类似现象？2025年2月7日发表在

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自然界生物一直使用巧妙的机械波操纵策略以求生存。例如，飞蛾翅膀上覆有改良的微小绒毛（鳞片），能以相同的频率共振。这些天然的声音共振器提供了良好伪装，有助于飞蛾躲避通过回声定位的食肉蝙蝠。蚊子的触角具有轻巧的、锥形几何结构的振动毛状结构，能够探测到特定声音信号，用于交配和觅食。除了声波控制，自然界生物还可通过应力波控制机制解决结构上的挑战。螳螂虾以拥有可经受巨大冲击的指节棒闻名。这种海洋甲壳动物使用这一附肢进行高速撞击，以敲开对手的坚硬外壳，同时不会造成自身伤害。指节棒这种非同寻常的韧性，来自由多层螺旋纤维和矿化甲壳质组成的多级布利冈（Bouligand）结构。此类周期性结构可以分散应力波，并阻止裂纹传播与聚集。这种层结构能够促进局部硬化、损伤分散和能量耗散，为原本易碎的指节棒带来类似塑性的变形能力。

声子行为与表面张力波的相长和相消干涉交互作用类似。水面波纹或小提琴弦振动声波均属表面张力波。之前的理论认为，螳螂虾使用声子机制过滤应力波以抵抗冲击，但在过去10年未能在实验中验证这一假设。Alderete等通过严格实验证明了螳螂虾指节棒的声子屏蔽行为，并指出，增强的抗冲击性是过滤应力波的结果，这种特性以前只存在于合成声子晶体中。布利冈结构的周期性螺旋结构能够选择性衰减高强度撞击产生的一系列应力波频率（见图）。这种过滤效应减少了局部应力集中，使施加的机械能分布更均匀。因此，指节棒外层可充当内层的抗损伤保护罩。

Alderete等进行了时间分辨激光超声实验，并在指节棒中观测到关键的声子行为，如布洛赫谐波、色散表面模式、平坦色散带和布拉格带隙，这些行为通常存在于合成声子晶体中。指节棒在兆赫范围内表现出布拉格带隙，在该范围内，某些特定频率的波由于周期性结构的多次反射而发生相消干涉，从而衰减。研究人员还观察到平坦色散带（频率恒定，与动量无关），这表明应力波已在材料中被局域化和捕获。这些观察表明，螳螂虾通过复杂的声子机制保护自己免受高频冲击。在天然存在的分层结构中，实验证明的能量耗散和局域化，可为声子带隙材料的设计带来新视角。

除Alderete等的研究外，在将天然材料用于工业应用方面仍然存在挑战。将螳螂虾的布利冈结构转化为功能性声子带隙材料时，选择的材料组合必须具有力学各向异性和强度，类似于虾。此外，波的色散特性（即波的传播速度和频率之间的关系）由组成部分的结构和属性决定。在设计具有应力波过滤结构的复合材料时，必须考虑这些因素。

鉴于结构层次和波动特性之间的相互作用，需要考虑声子带隙是否存在于不同物种的类似结构中。例如，甲虫翅膀中的螺旋结构具有良好的强度和抗断裂性。研究其他天然声子结构并了解其局限性，有助于人类解锁新的设计，超越现有抗冲击材料和能量耗散系统。

文/Pablo D. Zavattier

（译自

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能“锁水”的耐温水凝胶——通过碳链固定水分子，使水凝胶在不同温度下都具有弹性

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聚丙烯酰胺水凝胶圆盘（图片来源：麻省理工学院新闻网）

水凝胶是一种可被水分子渗透的柔软聚合物网络。这种水合状态使得水凝胶可用于生物医学研究，以及隐形眼镜和伤口敷料等消费品。与加热或冷却时发生状态转变的聚合物相反，水凝胶因具有水合作用而通常不发生聚合相变。然而，温度变化会蒸发或冻结聚合物网络中的游离水分子，从而改变水凝胶的力学性能，这将损害水凝胶的弹性，使其更易破裂。2025年2月28日，Zhang等在

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耐高温水凝胶

一种由2种不同聚合物网络组成的水凝胶能 够有效地固定水分子，同时不会破坏其结构 完整性。被锁住的水分使水凝胶在较大的温 度范围内都能保持弹性。

制备耐温弹性水凝胶的主要挑战在于如何将水分子有效固定于聚合物网络内部。策略之一是为聚合物网络设计官能团。一组具有不同化学性质的原子可与临近水分子结合，而其他水分子可在聚合物网络中自由流动。另一种方法是将吸湿盐（从周围环境吸收水分的化合物）掺入水凝胶。这种方法通过促进水分子与盐中离子的相互作用，降低水分子的整体流动性。然而，由于吸湿盐也会在水凝胶内运动，因此不能完全锁住网络中的水。

藻酸盐通过离子相互作用形成网络，聚丙烯酰胺链则通过共价键连接。这2个聚合物网络间是共价交联的。

研究人员利用硫酸碳化反应制备耐温水凝胶。在该反应中，硫酸吸水并在材料上产生富碳残留物。这种方法可形成硫酸水合物，将水分子成功固定于聚合物网络。然而，这一反应会也分解聚合物，导致其碎裂，从而使水凝胶降解。为此，Zhang等设计了一种具有2个互穿聚合物链网络的水凝胶，其中一个是牺牲网络，与硫酸反应后在另一个聚合物网络上形成碳层，用于保护和固定水分子（见图）。双网络水凝胶设计具有更强的韧性，但尚未实现耐温性。

藻酸盐会与吸湿分子选择性反应，将水分子固定于水凝胶内部，导致聚合物网络断裂。

藻酸盐和吸湿分子之间发生反应，在聚丙烯酰胺网络上形成保护性碳层。

实现选择性碳化反应需要2种不同性质的聚合物。藻酸盐（一种天然多聚糖）通过离子相互作用形成网络，而聚丙烯酰胺（一种合成聚合物）则通过共价键连接。在该研究的硫酸碳化反应中，硫酸主要与藻酸盐网络反应，产生短碳链（“碳蛇”），同时保持交联聚丙烯酰胺的结构完整性。在约143℃下观察到的放热峰证实了碳化反应。碳蛇可黏附并封装聚丙烯酰胺网络的主链，并作为屏障，保护聚合物免受过度反应和降解。最终获得的水凝胶由单一的聚丙烯酰胺网络构成，其表面覆有硫酸结合的碳层，可有效固定相邻水分子。在较大的温度范围内，断裂的藻酸盐链或聚丙烯酰胺网络中均未观察到相变。这证实碳蛇能将水分子有效固定在水凝胶内部。此外，研究人员并未观察到与水分子蒸发相关的放热反应，而这种现象通常在高温下的传统水凝胶中出现。因此，耐温水凝胶在-100~140℃之间能够保持弹性。

在选择性碳化策略下，需要有一个牺牲网络，因此该方法看似不能用于单网络水凝胶。为了证明该方法的通用性，研究人员由单一类型聚合物制成的水凝胶上进行反应实验。这种合成聚合物（聚（N-乙烯基吡咯烷酮））可在酸性条件下形成活性侧链。硫酸与这些较短的辅助链反应形成“碳蛇”，“碳蛇”将包裹构成主网络的长链。得到的水凝胶在-112~135℃表现出相似的耐温力学特性。

尽管研究人员的工作证实了固定水分子策略的普适性，但仍需进一步分析以阐明水凝胶耐温性的潜在机理。其使用差示扫描量热法，根据样品吸收或释放的热量确定热转变，以证明水凝胶在极端温度下不存在相变，并提出了一个合理假设，即固定的水分子抑制了水凝胶中聚合物和水的相变。然而，远离聚合物链的水分子行为尚不可知。通过超分辨率拉曼显微镜之类的额外表征或可提供潜在机理的更详细信息。

该研究的发现或具有深远意义。目前，高性能水凝胶研发主要聚焦于优化聚合物网络结构设计，普遍忽视水凝胶中的水分子，因为一般认为其力学性能影响可忽略不计。此方法开辟了一条设计高性能水凝胶的新途径，即策略性地安排水分子，使其固定于聚合物网络内部。精确操纵水凝胶中水分子可使人们突破以前无法掌握的先进技术，包括但不限于组织防腐剂和阻燃剂。

文/Zhaohan Yu，Shaoting Lin

（译自

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