夏日林間，蟬鳴陣陣。這些小小的昆蟲之所以能夠發(fā)出高達100分貝的聲音，并且聲波可傳播數(shù)百米之外，奧秘就在于在它們獨特的發(fā)聲器官——鼓膜。近日，中國科學技術(shù)大學程群峰教授課題組與中國科學院理化技術(shù)研究所李明珠研究員課題組合作，通過深入解析蟬鼓膜肋骨的精妙結(jié)構(gòu)，成功研制出一種性能卓越的仿生聲學換能器薄膜，為高性能聲學器件的開發(fā)開辟了新路徑。

自然的智慧：蟬鳴背后的材料學

蟬的發(fā)聲器官位于胸腹交界處，由肌肉和肋骨膜協(xié)同工作。當肌肉收縮時，肋骨膜產(chǎn)生形變并快速回彈，每秒可振動超過50次，產(chǎn)生的共振聲波經(jīng)過體內(nèi)氣囊放大后傳播出去。令人驚嘆的是，這種高頻振動可以持續(xù)數(shù)小時而不會導致結(jié)構(gòu)疲勞損壞。

研究團隊通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡等先進表征手段，發(fā)現(xiàn)蟬肋骨膜具有獨特的層狀交替結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由硬質(zhì)的幾丁質(zhì)層和軟質(zhì)的彈性蛋白層交替排列組成，層厚在150到450納米之間。其中，幾丁質(zhì)層的楊氏模量約為5.41 GPa，是彈性蛋白層（3.38 GPa）的1.6倍。這種軟硬相間的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得硬質(zhì)層能夠承擔主要的機械負荷，而軟質(zhì)層則通過自身的大變形能力有效延緩裂紋的擴展，從而賦予了整體結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學性能。

更為精妙的是，幾丁質(zhì)在納米尺度受限空間內(nèi)形成了高度有序的晶體結(jié)構(gòu)。這種納米限域結(jié)晶限制了分子鏈的運動，使外力能夠更均勻地分散在晶體結(jié)構(gòu)中，進一步提升了材料的機械性能。正是這種多層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓蟬的發(fā)聲器官能夠在高強度、高頻率的工作條件下保持長期穩(wěn)定。

仿生之路：從觀察到創(chuàng)造

受蟬肋骨膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團隊采用層層交替旋涂限域構(gòu)筑策略，選擇聚氧乙烯（PEO）作為軟質(zhì)層，酚醛樹脂（PF）作為硬質(zhì)層，通過精確控制旋涂工藝參數(shù)，成功制備出了具有仿生軟硬交替結(jié)構(gòu)的全有機復合薄膜。

在制備過程中，研究人員首先在玻璃基底上旋涂一層PEO溶液，形成親水性表面并逐漸平整化。隨后旋涂PF預聚物溶液，通過重復這一過程形成多層結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵的創(chuàng)新在于界面交聯(lián)策略——將多層膜浸入硼酸溶液中，PF和PEO表面的羥基與硼酸形成配位鍵，模擬了昆蟲體內(nèi)幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白的作用機制。這種界面增強不僅提高了層間的結(jié)合強度，更賦予了材料優(yōu)異的能量耗散能力。

通過精確調(diào)控PEO的濃度、旋涂速度和時間，研究團隊成功將PEO層的厚度控制在25納米左右。在如此薄的限域空間內(nèi)，PEO的結(jié)晶行為發(fā)生了顯著變化——從常規(guī)的二維球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槎询B片晶，最終形成單晶結(jié)構(gòu)。這種納米限域結(jié)晶顯著提升了材料的結(jié)晶度，從而增強了其力學性能。

蟬鳴膜（tymbal）結(jié)構(gòu)與人工肋狀薄膜（ARF）的制備。

(A) 蟬的光學圖像。

(B) 蟬鳴膜的光學圖像。

(C) 蟬鳴膜肋結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）橫截面圖像，顯示其層狀結(jié)構(gòu)。

(D) 示意圖展示了肋結(jié)構(gòu)中幾丁質(zhì)與彈性蛋白（resilin）的分層分布，幾丁質(zhì)具有高楊氏模量，彈性蛋白具有低楊氏模量。

(E) ARF（人工肋狀薄膜）的層層沉積制備過程示意圖。聚乙烯氧化物（PEO）與酚醛樹脂（PF）溶液交替旋涂于玻璃基底，每層沉積間均進行充分干燥。

(F) 全有機透明 ARF 的光學圖像。

(G) ARF 的橫截面圖像，展示交替排列的 PF 與 PEO 層狀結(jié)構(gòu)。

(H) ARF 與商業(yè)聲學換能膜的聲學輸出（頻率）及聲學響應量（位移）的性能對比圖。

（圖片來源：維基百科）

性能飛躍：數(shù)據(jù)見證突破

仿生薄膜展現(xiàn)出了令人矚目的綜合性能。其拉伸強度達到158.6 MPa，分別是純PF膜、純PEO膜和PF-PEO共混膜的1.3倍、7.7倍和2.4倍。韌性方面，仿生薄膜達到9.3 MJ/m3，相比純PF膜提升了3.6倍。更重要的是，在60%最大拉伸強度的循環(huán)載荷下，仿生薄膜可承受45,303次循環(huán)而不發(fā)生斷裂，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能。

這種優(yōu)異性能源于多重增韌機制的協(xié)同作用。當外力作用時，硬質(zhì)PF層首先承受載荷并發(fā)生應力集中，軟質(zhì)PEO層則作為韌性剪切帶，通過自身變形來緩解裂紋擴展。同時，層間的硼酸酯鍵在斷裂過程中逐漸破壞，進一步耗散能量。斷面分析顯示，仿生薄膜呈現(xiàn)出典型的“之字形”裂紋路徑和層片拔出現(xiàn)象，證實了這種能量耗散機制的有效性。

聲學應用：超越傳統(tǒng)的表現(xiàn)

將這種仿生薄膜應用于聲學換能器時，其性能表現(xiàn)顯著超越了現(xiàn)有商業(yè)化產(chǎn)品。測試結(jié)果顯示，基于仿生薄膜的換能器基本共振頻率達到1341 Hz，分別是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、鋁鎂合金、石墨烯/PET和碳納米管/PET等商業(yè)薄膜的2.93倍、2.37倍、1.54倍、1.29倍和1.23倍。

在位移振幅方面，仿生薄膜換能器達到175.3 nm/V，是傳統(tǒng)PET薄膜的2.2倍。這意味著在相同的驅(qū)動電壓下，仿生薄膜能夠產(chǎn)生更大的聲壓級，實現(xiàn)更高效的電聲轉(zhuǎn)換。研究團隊還通過實際測試驗證了其音質(zhì)表現(xiàn)——使用仿生薄膜換能器播放音樂，錄制的聲波形與原始音頻高度吻合，展現(xiàn)出優(yōu)秀的聲音還原能力。

這種卓越的聲學性能得益于仿生薄膜獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計。納米限域結(jié)晶使得PEO層具有更高的模量和強度，軟硬交替的層狀結(jié)構(gòu)則確保了薄膜在高頻振動下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時，優(yōu)異的抗疲勞性能保證了換能器能夠長期穩(wěn)定工作，這對于實際應用具有重要意義。

展望未來：仿生材料的無限可能

這項研究不僅成功破解了蟬發(fā)聲器官的結(jié)構(gòu)密碼，更重要的是建立了一套完整的仿生設(shè)計和制備方法體系。通過調(diào)控軟硬層的模量差異和層厚度，可以實現(xiàn)對材料性能的精準調(diào)控，為開發(fā)各類高性能薄膜材料提供了新思路。

研究團隊提出的納米限域結(jié)晶策略具有普適性，不僅適用于PEO/PF體系，還可以拓展到其他聚合物組合。這為設(shè)計具有特定功能的層狀復合材料開辟了廣闊空間。在聲學領(lǐng)域，這種仿生薄膜有望應用于高端音響、精密傳感器、醫(yī)療超聲設(shè)備等多個方面。隨著制備工藝的不斷優(yōu)化和規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，仿生聲學材料有望在不久的將來走出實驗室，服務于人們的日常生活。

大自然歷經(jīng)億萬年進化，造就了無數(shù)精妙的結(jié)構(gòu)和材料。蟬這種看似普通的昆蟲，其發(fā)聲器官中蘊含的材料學智慧，為人類開發(fā)高性能材料提供了寶貴啟示。正如這項研究所展示的，通過深入理解自然界的設(shè)計原理，并結(jié)合現(xiàn)代材料科學技術(shù)，我們能夠創(chuàng)造出性能超越傳統(tǒng)材料的仿生新材料，推動科技不斷向前發(fā)展。

參考文獻

【1】Jiajun Mao et al. ,Cicada rib-inspired tough films through nanoconfined crystallization for use in acoustic transducers.Sci. Adv.11,eadx9248(2025).DOI:10.1126/sciadv.adx9248

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監(jiān)制：中國科普博覽