仿“蝉肋骨”造出高性能声学换能器
文章导读
蝉鸣声里藏着的秘密，竟能颠覆声学技术？中科大团队揭秘蝉肋骨的精妙结构——软硬蛋白层交替排列，硬层扛起机械重担，软层靠延展性阻止裂纹蔓延。受此启发，科学家们创新性地采用层层旋涂与界面交联技术，成功研制出仿生全有机复合薄膜。这种材料不仅同时具备超高强度、韧性和抗疲劳性，更在声学换能器核心性能上实现突破：其共振频率与振幅表现均超越现有商业薄膜，为打造兼具高灵敏度响应与长期稳定性的新一代声学设备开辟了全新路径。
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近期，中国科学技术大学程群峰课题组与中国科学院理化技术研究所李明珠课题组合作，在仿生限域组装和声学换能器应用方面取得进展。
传统聚合物、金属、陶瓷声学换能器所用薄膜材料，往往难以同时具备高强度、高韧性和优良的抗疲劳性能，制约声学换能器在高灵敏度响应和长期稳定性方面的表现。因此，开发综合性能优异、适用于高性能声学换能器的薄膜材料，是当前面临的重要技术挑战。
科研团队解析蝉发声器官——蝉肋骨膜的结构与性能关系，并据此仿生制备出可用于声学换能器的高性能仿生薄膜。团队发现，蝉肋骨膜中软弹性蛋白层与硬几丁质层交替排列的结构，是其优异力学性能的关键，即硬质层承担机械负荷，软质层通过大变形能力延缓裂纹扩展。基于这一机理，团队采用层层交替旋涂限域构筑与界面交联策略，制备出具有仿生软硬交替结构的全有机复合薄膜。在限域条件下，聚合物分子链之间的缠结作用增强，使该仿生薄膜同时具备高拉伸强度、韧性和耐疲劳性能。这些特性使其能够兼顾高效声能输出与长期稳定的声传播性能，其基本共振频率和振幅均优于现有商业化薄膜。
上述研究为设计高性能声学换能器提供了新思路。
9月10日，相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。
蝉肋骨膜的层状交替结构及仿生制备
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