在我們社會生活的各個領域，如汽車、航空航天等，都迫切需要輕質、高性能的抗衝擊材料。近年來，大自然給了科學家們很多新材料設計方面的靈感，其中就包括抗衝擊材料的設計。自然界中，很多生物需要在各種壓力和衝擊下生存，這就需要大自然在有限的材料選擇和合成條件範圍內來為它們進行巧妙的設計。
例如軟體動物的殼就具有出色的強度和韌性，可以抵禦捕食者的擠壓和穿透。但強中自有強中手，「網紅」螳螂蝦就能通過它dactyl club（類似「胳膊肘」）的高應變率撞擊來使其破裂，並且螳螂蝦已經進化出了避免自身高應變率撞擊帶來損傷的能力。這種抗高應變率衝擊影響的能力引起了工程應用領域的極大興趣。
螳螂蝦：屬於齒指蝦蛄科，顯著的特徵就是在它的胸前有一對大螯鉤，攻擊力非常的強。它和日常生活中吃的皮皮蝦有所不同，皮皮蝦屬於蝦蛄科，胸前並沒有這種攻擊力特別強的大前螯鉤，另外三對步足的位置跟螳螂蝦的位置也是不一樣的。
美國加州大學河濱分校David Kisailus等人研究發現，螳螂蝦的「胳膊肘」包含一種耐衝擊塗層。該塗層是由緊密堆積（約佔體積的88％）65 nm的羥基磷灰石雙連續納米顆粒集成在有機基質中組成的。在高應變率（約104/s）的影響下，粒子發生旋轉和平移，而納米晶網絡在低角度晶界處破裂，形成位錯並發生非晶化。互穿的有機網絡可提供額外的增韌效果，以及顯著的阻尼（損耗係數約為0.02）。因此，螳螂蝦的「胳膊肘」擁有剛度和阻尼的巧妙組合，勝過許多工程材料。該研究以題為「A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating」的論文發表在《Nature Materials》上。
【螳螂蝦「胳膊肘」上的納米顆粒塗層】
圖1b突出顯示了螳螂蝦「胳膊肘」上三個獨立的區域：最外層70 m厚的塗層為高度礦化的羥基磷灰石（HAP）納米顆粒；在其下方是人字形的納米晶HAP礦化幾丁質纖維；核心是呈螺旋狀結構排列的礦化α-幾丁質纖維。這些密集堆積的100 nm以下的納米顆粒以聚集體的形式出現。HRTEM成像顯示（圖2g），顆粒由有機相和無機相的互穿雙連續網絡組成，類似於先前報導的雙連續共聚物納米粒子。初級晶粒之間的後續界面為低角度晶界（1.5°）。這些低角度晶界不僅降低了該無機網絡的形成自由能，而且還可能在衝擊時破裂，而從在界面處提供強大的韌性，類似於鋼化玻璃破碎成小塊並耗散大量能源。這種分層結構賦予了螳螂蝦強大的抗衝擊能力。
圖1 螳螂蝦「胳膊肘」的撞擊面
圖2 撞擊表面內顆粒的納米結構設計特徵。
【高應變率微衝擊行為】
為了了解螳螂蝦在高應變率撞擊進食活動中其衝擊表面複合顆粒塗層的響應，作者對「胳膊肘」樣品進行了微衝擊試驗（圖3a）。結果表明，衝擊表面能夠定位損傷並防止在多次衝擊過程中裂紋的產生和擴展。圖3i提供了各種生物和工程結構材料在高應變率衝擊下的抗穿透性和破壞區域的比較。螳螂蝦的衝擊表面具有最小的損傷面積和穿透深度，這表明在高應變速率條件下，其「胳膊肘」具有出色的能量耗散效率。即在數千次高應變率衝擊過程中，衝擊表面上的顆粒層在防止「胳膊肘」發生災難性破壞方面起著重要作用。這種依賴應變率的行為表明，在螳螂蝦的「胳膊肘」中發現的超薄生物塗層旨在避免高應變率衝擊過程中造成災難性損害，並確保有效進食和生存。
圖3 應變率微衝擊試驗
【螳螂蝦為啥這麼硬？】
通過檢查衝擊區域（圖5a），作者評估了納米粒子塗層內能量耗散和阻尼行為的潛在機理。高應變速率衝擊導致次要HAP顆粒大量破裂成較小的顆粒（ 10-20 nm）（圖5b，c），因此消散了一些衝擊能量。通過HRTEM對受衝擊樣品中的晶粒進行分析，發現了斷裂的次級顆粒，並隨機化了所得初級晶粒的取向（圖5d，e）。此外，高應變速率的衝擊會在HAP晶體中引起晶體缺陷：位錯和非晶化區域（圖5f–i），而這種由高應變率或激振引起的位錯形成以及非晶化被認為是有效的能量耗散機制。這種大的變形以及恢復能力歸因於有機網絡的雙連續性。圖5k顯示了這些納米顆粒塗層在高應變速率衝擊下的能量吸收機理。此外，通過在納米顆粒結構中實施雙連續設計，與傳統複合材料相比，剛性和強度得到了顯著提高，從而導致了更高的能量吸收。
圖4撞擊表面的納米級能量耗散機制
總結：作者研究了高應變速率對生物複合材料的微觀影響。結果表明，通過有機網絡的定向附著而形成的這些介晶材料，不僅可以減少這些顆粒形成的能量，而且還可以導致較低的斷裂屏障，從而可以實現大範圍的局部能量吸收。通過將此類合成方法與當前先進位造行業相結合，可以為具有廣闊應用前景的新一代先進材料提供潛在的設計方案，以用於建築物、防彈衣、飛機、汽車、風力渦輪機的抗衝擊振動以及耐磨的塗層。