近期，我院趙宏偉教授團隊與清華大學精密儀器系、西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室、澳大利亞皇家墨爾本大學⏭➰的研究論文“Aggravated stress fluctuation and mechanical size effects of nanoscale lamellar bone pillars”在Nature出版集團旗下學術期刊《NPG Asia Materials》（2020年影響因子10.481）在線發表（https://doi.org/10.1038/s41427-021-00328-6），論文第一作者為馬志超教授。
該論文圍繞骨結構微觀變形行為和損傷機制的尺寸效應開展研究。力學性能的尺寸效應影響分層闆層骨的微觀變形行為和破壞機制。納米層狀骨的連續變形行為和“結構-行為-性能”相關性的研究可為降低骨折風險提供必要的數據。改論文在單個骨闆内制備了五組直徑從640nm到4971nm的骨微柱。掃描電子顯微鏡内的原位微柱壓縮試驗直接揭示了與直徑相關的顯著增加的強度、延展性和應力波動幅度。實時的電鏡下原位觀測亦揭示了較小直徑微柱的分段變形和形态各向異性，以及較大直徑微柱的輕微彈性恢複，并确定了微尺度骨骼脆-韌轉變的臨界尺度。納米尺度上的“類似鋸齒流”應力波動行為表現出顯著的尺寸效應，每個周期的波動表現為緩慢的應力增加和快速的應力釋放。
骨微柱尺寸效應下的韌-脆轉變
該論文提出了一種描述膠原纖維宏觀應力波動行為的非連續斷裂理論。長徑比相對較大的膠原纖維的緩慢彎曲和瞬時斷裂分别促進了應力的增加和減小。在應變梯度塑性理論的基礎上，通過分層位錯運動理論闡述了微觀應力波動行為。羟基磷灰石晶體内部的位錯運動和位錯在纖維-基體界面的堆積導緻了緩慢的應力增加，位錯在自由表面的溢出導緻了快速的應力降低。通過對微尺度骨變形行為的原位測試，揭示了其界面失效本質，為多相仿生骨材料研發及強韌化設計提供了測試支撐。
引發骨微柱應力波動的膠原纖維非連續斷裂理論
該研究工作得到了國家自然科學基金(51875241)、國家重點研發計劃項目(2018YFF010124)、吉林省科技發展計劃項目(20190302078GX, YDZJ202101ZYTS129)的資助。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41427-021-00328-6
