有烹魚經(jīng)驗的小伙伴應(yīng)該清楚，用菜刀將帶魚鱗的魚一刀兩斷是一件費力不討好的事。給魚去鱗需刮除而非強行破壞。魚鱗是魚堅硬的盔甲，但鱗片在魚游動時卻不會折斷。魚鱗何以如此神奇？
美國勞倫斯-伯克利國家實驗室、加州大學(xué)圣地亞哥分校和加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊近日在Matter雜志上發(fā)表了他們關(guān)于魚鱗問題的答案。研究者們發(fā)現(xiàn)，鯉魚魚鱗的多級結(jié)構(gòu)及其在應(yīng)力下對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化是魚鱗堅韌之奧秘所在。
要解釋魚鱗堅韌的奧秘，首先我們要了解鯉魚魚鱗的結(jié)構(gòu)（圖1）。每一片魚鱗由暴露的深色部分和層疊的淺色部分組成（圖1B）。暴露的部分表面粗糙，具有礦化突起（圖1C、D）。這些突起表面被真皮纖維完全覆蓋（圖1E）。層疊淺色部分表面存在較規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)，并伴隨裂紋（圖1F、G）。放大后可見表面是由直徑30-50 nm的礦化纖維組成（圖1H）。從截面來看，魚鱗由表皮層、礦化外層和Bouligand內(nèi)層（從上到下）三層構(gòu)成（圖1I、J），外層比內(nèi)層礦化程度高。
電子顯微鏡下可見Bouligand層具有層狀結(jié)構(gòu)。各層取向各異，相鄰層取向夾角基本相等（圖2A）。每層由密密麻麻的膠原蛋白纖維并排而成（圖2B），且纖維之間互相橋聯(lián)，形成纖維束（圖2C）。實際上，纖維束通過塞積堆疊形成螺旋樓梯的結(jié)構(gòu)便是Bouligand結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在蟹殼和甲殼中均存在。
透射電子顯微鏡顯示魚鱗截面的膠原蛋白纖維束間存在貫穿各層的膠原蛋白纖維（圖3）。密排的橢圓顆粒是圖2所示的膠原蛋白束截面。貫通其中的蛋白纖維如“繩子”一般將橢圓形的膠原蛋白纖維束“甲片”串了起來。
了解了鯉魚魚鱗的結(jié)構(gòu)，下面我們來看看魚鱗是如何應(yīng)對外界應(yīng)力的。作者們利用光學(xué)顯微鏡觀察了魚鱗在不同應(yīng)變程度下的結(jié)構(gòu)（圖4）。當應(yīng)變在0.2以下時，魚鱗微觀結(jié)構(gòu)無明顯變化。應(yīng)變達到0.2時魚鱗外層破裂，應(yīng)力增長趨緩并略微下降。當應(yīng)變達到0.25后，外層完全破裂、剝離。外層剝離后應(yīng)力迅速下降，但魚鱗并未徹底斷裂。斷裂處仍被纖維連接。表1匯總了魚鱗的力學(xué)性能。從表中數(shù)據(jù)可知，鯉魚魚鱗力學(xué)性能的各向異性較弱，且表皮層是否存在對魚鱗力學(xué)性能的影響甚微。
表1.鯉魚魚鱗的力學(xué)性能參數(shù)。Whole Scale為完整鱗片，Collagen Layer為去除表皮的鱗片。
作者們還利用了小角X射線散射（SAXS）探測了魚鱗微觀結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下的變化，并總結(jié)了魚鱗抵御外界應(yīng)力的微觀過程。魚鱗外部礦化層提供第一層保護。它可承受應(yīng)力直至完全斷裂并剝離（圖5A）。下方Bouligand層也參與耗散應(yīng)力。其中與應(yīng)力平行的膠原蛋白束層可產(chǎn)生拉伸形變直至層間分離（圖5B）。與應(yīng)力呈一定角度的膠原蛋白束層可朝向順著應(yīng)力的方向扭轉(zhuǎn)并同時發(fā)生形變存儲應(yīng)力（圖5C、D）。此外，層與層還可發(fā)生位移，進一步分散應(yīng)力（圖5E、F）。
研究人員目前正研究通過3D打印合成類鯉魚魚鱗結(jié)構(gòu)的材料。這些材料有望制備質(zhì)輕堅韌的護甲等。人類效法自然的腳步不會停歇。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302447
