深海热泉贻贝(Bathymodiolus aduloides)壳的多尺度结构与力学性能设计及其仿生材料启示

这篇研究揭示了深海热泉贻贝(B.aduloides)壳为适应极端环境(高压/高CO2/硫化物)演化出的独特多尺度结构：较厚的角质层(periostracum)、梯度化珍珠层(nacreous layer)及高矿化棱柱层(prismatic layer)。通过对比浅水贻贝(M.edulis)，发现其具有更高曲率的三明治结构、更优的弹性模量(modulus)和韧性(toughness)，裂纹偏转(crack deflection)和纳米颗粒(nano-particle)等增韧机制为深海装备仿生设计提供了新思路。

　　

Highlight

深海热泉贻贝(B.aduloides)壳体作为极端环境的保护装置，通过精确匹配的多相组成和多尺度结构设计实现防护功能，从宏观的椭球形状到微观的纳米颗粒架构均展现出独特适应性。

Sample selection

热泉贻贝样本由"勇士号"载人潜水器于2019年1月在西南印度洋龙岐热液区(2760米深)采集，浅水贻贝(M.edulis)对照样本采自10米水深海域。所有样本均在-80°C保存以保证结构完整性。

Morphology and microstructure of the shell

宏观形态显示B.aduloides壳体呈半球形(平均长度92mm)，显著大于M.edulis(76mm)。显微结构揭示其具有三层特殊构造：异常增厚的角质层、高矿化棱柱层以及具有梯度特征的珍珠层——从外壳向内壳方向珍珠质片层厚度逐渐减小。

Discussion

深海壳体通过弧形宏观形态增强结构刚性，多亚层设计则通过以下机制协同提升韧性：(1)有机基质引导的裂纹偏转；(2)棱柱层中的矿物桥(mineral bridges)；(3)珍珠层纳米颗粒的塑性变形。这种"弯曲刚度+分层韧性"的组合策略为深海耐压结构设计提供了生物蓝图。

Conclusions

研究表明B.aduloides壳体通过双重化学策略(高钙碳酸盐/低硬度有机相)和多尺度结构(高曲率/梯度化珍珠层/增厚角质层)的协同作用，实现了在高压热液环境中的卓越力学性能，其设计原理对深海潜水器耐压舱等仿生材料开发具有重要启示。