https://www.bioprocess.cn/tag/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E5%85%89%E5%AD%A6/仿生光学Hugo Blox Builder (https://hugoblox.com)zh-HansSun, 28 Jun 2026 14:51:00 +0800https://www.bioprocess.cn/media/icon_hu69952723e76335b36bdcf17c4eb953f6_60867_512x512_fill_lanczos_center_3.pnghttps://www.bioprocess.cn/tag/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E5%85%89%E5%AD%A6/https://www.bioprocess.cn/post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/Sun, 28 Jun 2026 14:51:00 +0800https://www.bioprocess.cn/post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/<p>2026年3月2日，课题组在蛋白乳玉螺（<em>Polinices albumen</em>）贝壳中发现，其天然的交叉层状结构能够同时实现<strong>方向依赖的不对称光透射</strong>与<strong>优异的力学稳定性</strong>。这种光学与力学双重功能的巧妙结合，为开发仿生光学隔离器、力学坚固的红外窗口及透明伪装材料提供了独特的天然设计模板。相关成果以题为&quot;<strong>Optical asymmetric transmission design with mechanical robustness in the shell of Polinices albumen</strong>&ldquo;的研究论文发表于 <em><a href="https://doi.org/10.1016/j.actbio.2026.02.029" target="_blank" rel="noopener">Acta Biomaterialia</a></em>。</p> <h2 id="研究背景">研究背景</h2> <p>非对称传输是现代光子学的核心功能之一，是光隔离器和环形器的工作原理，对于保护激光光源、控制光路及电磁屏蔽至关重要。现有人造器件通常依赖磁光效应或复杂超材料，面临制造工艺繁琐、带宽受限及机械强度不足等瓶颈。与此同时，软体动物贝壳作为历经亿万年进化的天然陶瓷基复合材料，不仅以卓越的力学性能著称，近年来更被揭示出多样的光学功能。然而，在贝壳中发现可与人造器件媲美的高效非对称传输结构，此前尚未见报道。</p> <h2 id="核心发现">核心发现</h2> <p>研究团队对蛋白乳玉螺外壳进行了多尺度表征，揭示了其两层结构在光学与力学性能上的显著不对称性。</p> <p><strong>光学特性：方向依赖的透射与反射。</strong> 外壳内层呈现高光学透明度，而外层则具有类陶瓷釉面的高反射率。更有趣的是，其横截面中存在明暗交替的片层结构，当样品翻转时，片层对比度发生完全反转，表明透射特性本质上取决于入射光相对于矿物结构的取向。这一发现首次在软体动物贝壳中证实了高效的不对称光传输行为。</p> <p><strong>结构根源：层级微结构的协同设计。</strong> 内外层均由文石构成，但微观结构迥异。外层由扁平片状纤维组成，孔隙率较高，导致强烈的瑞利散射和光衰减；内层则形成互锁的&quot;T&quot;形纤维结构，排列更为致密，晶界密度低，从而最小化光散射、实现高透射。偏振拉曼光谱与电子衍射进一步揭示，内层中 c 轴优先垂直于表面，而外层呈 (10$\overline{1}$) 取向，这种晶体取向的差异是明暗片层光学行为不同的根本原因。</p> <p><strong>力学性能：互锁结构带来的强韧化。</strong> 纳米压痕测试表明，内层 0° 片层的折合模量（41.6 GPa）和硬度（3.6 GPa）分别比外层高出 48% 和 31%。压痕损伤形貌显示，外层出现大面积纤维拔出和颗粒剥离，而内层因褶皱状互锁结构将裂纹限制在局部区域，损伤极小。这种纳米级互锁设计在增强光学透射的同时，提供了优异的硬度、模量和抗裂性。</p> <p> <figure > <div class="d-flex justify-content-center"> <div class="w-100" ><img alt="蛋白乳玉螺外壳的宏观几何与光学特性" srcset=" /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure1_hu9c8535266cf2ce617efb44780bf5fbde_305483_786f447f33fef3882030cd9f8fe65a61.webp 400w, /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure1_hu9c8535266cf2ce617efb44780bf5fbde_305483_91c3546fe4b2d0dedc7c8565bb5eaa96.webp 760w, /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure1_hu9c8535266cf2ce617efb44780bf5fbde_305483_1200x1200_fit_q75_h2_lanczos.webp 1200w" src="https://www.bioprocess.cn/post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure1_hu9c8535266cf2ce617efb44780bf5fbde_305483_786f447f33fef3882030cd9f8fe65a61.webp" width="760" height="456" loading="lazy" data-zoomable /></div> </div></figure> </p> <p> <figure > <div class="d-flex justify-content-center"> <div class="w-100" ><img alt="蛋白乳玉螺外壳的层级结构示意图" srcset=" /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure2_hu1a00046365de1da3d42ab3fd93a429e8_283840_bec39b8ed6c5fecd6972bb535710f72f.webp 400w, /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure2_hu1a00046365de1da3d42ab3fd93a429e8_283840_b25bfe6dfe88395cea8ff0fe6da1a6bb.webp 760w, /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure2_hu1a00046365de1da3d42ab3fd93a429e8_283840_1200x1200_fit_q75_h2_lanczos.webp 1200w" src="https://www.bioprocess.cn/post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure2_hu1a00046365de1da3d42ab3fd93a429e8_283840_bec39b8ed6c5fecd6972bb535710f72f.webp" width="760" height="464" loading="lazy" data-zoomable /></div> </div></figure> </p> <p> <figure > <div class="d-flex justify-content-center"> <div class="w-100" ><img alt="不同壳层取向的纳米力学行为对比" srcset=" /post/20260302-publication-optical-asymmetric-actabiomater/figure3_huc902d4a2e9696389e7dedea109b17845_419280_8e0442fd15513d7f41414ed86929aa38.webp 400w, 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<p>武汉理工大学2023级博士研究生郭俊艳为文章第一作者，武汉理工大学邹朝勇研究员、傅正义教授为本论文的通讯作者。</p> <h2 id="论文信息">论文信息</h2> <p>Linzhi Liu, Feng Duan, Ercai Pan, Jianhui Li, Junyan Guo, Luyao Yi, Fei Long, Zhengyi Fu, and Zhaoyong Zou, Optical Asymmetric Transmission Design with Mechanical Robustness in the Shell of Polinices Albumen. <em>Acta Biomaterialia</em> 2026, S174270612600111X. <a href="https://doi.org/10.1016/j.actbio.2026.02.029" target="_blank" rel="noopener">https://doi.org/10.1016/j.actbio.2026.02.029</a></p>