蝉翼薄处有乾坤！中国科学家造出超强“人造蝉膜”

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（来源：中国科普博览）

夏日林间，蝉鸣阵阵。这些小小的昆虫之所以能够发出高达100分贝的声音，并且声波可传播数百米之外，奥秘就在于在它们独特的发声器官——鼓膜。近日，中国科学技术大学程群峰教授课题组与中国科学院理化技术研究所李明珠研究员课题组合作，通过深入解析蝉鼓膜肋骨的精妙结构，成功研制出一种性能卓越的仿生声学换能器薄膜，为高性能声学器件的开发开辟了新路径。

蝉的发声器官位于胸腹交界处，由肌肉和肋骨膜协同工作。当肌肉收缩时，肋骨膜产生形变并快速回弹，每秒可振动超过50次，产生的共振声波经过体内气囊放大后传播出去。令人惊叹的是，这种高频振动可以持续数小时而不会导致结构疲劳损坏。

研究团队通过电子显微镜、原子力显微镜等先进表征手段，发现蝉肋骨膜具有独特的层状交替结构。这种结构由硬质的几丁质层和软质的弹性蛋白层交替排列组成，层厚在150到450纳米之间。其中，几丁质层的杨氏模量约为5.41 GPa，是弹性蛋白层（3.38 GPa）的1.6倍。这种软硬相间的结构设计，使得硬质层能够承担主要的机械负荷，而软质层则通过自身的大变形能力有效延缓裂纹的扩展，从而赋予了整体结构优异的力学性能。

更为精妙的是，几丁质在纳米尺度受限空间内形成了高度有序的晶体结构。这种纳米限域结晶限制了分子链的运动，使外力能够更均匀地分散在晶体结构中，进一步提升了材料的机械性能。正是这种多层次的结构设计，让蝉的发声器官能够在高强度、高频率的工作条件下保持长期稳定。

受蝉肋骨膜结构的启发，研究团队采用层层交替旋涂限域构筑策略，选择聚氧乙烯（PEO）作为软质层，酚醛树脂（PF）作为硬质层，通过精确控制旋涂工艺参数，成功制备出了具有仿生软硬交替结构的全有机复合薄膜。

在制备过程中，研究人员首先在玻璃基底上旋涂一层PEO溶液，形成亲水性表面并逐渐平整化。随后旋涂PF预聚物溶液，通过重复这一过程形成多层结构。关键的创新在于界面交联策略——将多层膜浸入硼酸溶液中，PF和PEO表面的羟基与硼酸形成配位键，模拟了昆虫体内几丁质结合蛋白的作用机制。这种界面增强不仅提高了层间的结合强度，更赋予了材料优异的能量耗散能力。

通过精确调控PEO的浓度、旋涂速度和时间，研究团队成功将PEO层的厚度控制在25纳米左右。在如此薄的限域空间内，PEO的结晶行为发生了显著变化——从常规的二维球晶转变为堆叠片晶，最终形成单晶结构。这种纳米限域结晶显著提升了材料的结晶度，从而增强了其力学性能。

蝉鸣膜（tymbal）结构与人工肋状薄膜（ARF）的制备。

(A) 蝉的光学图像。

(B) 蝉鸣膜的光学图像。

(C) 蝉鸣膜肋结构的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像，显示其层状结构。

(D) 示意图展示了肋结构中几丁质与弹性蛋白（resilin）的分层分布，几丁质具有高杨氏模量，弹性蛋白具有低杨氏模量。

(E) ARF（人工肋状薄膜）的层层沉积制备过程示意图。聚乙烯氧化物（PEO）与酚醛树脂（PF）溶液交替旋涂于玻璃基底，每层沉积间均进行充分干燥。

(F) 全有机透明 ARF 的光学图像。

(G) ARF 的横截面图像，展示交替排列的 PF 与 PEO 层状结构。

(H) ARF 与商业声学换能膜的声学输出（频率）及声学响应量（位移）的性能对比图。

（图片来源：维基百科）

仿生薄膜展现出了令人瞩目的综合性能。其拉伸强度达到158.6 MPa，分别是纯PF膜、纯PEO膜和PF-PEO共混膜的1.3倍、7.7倍和2.4倍。韧性方面，仿生薄膜达到9.3 MJ/m³，相比纯PF膜提升了3.6倍。更重要的是，在60%最大拉伸强度的循环载荷下，仿生薄膜可承受45,303次循环而不发生断裂，展现出优异的抗疲劳性能。

这种优异性能源于多重增韧机制的协同作用。当外力作用时，硬质PF层首先承受载荷并发生应力集中，软质PEO层则作为韧性剪切带，通过自身变形来缓解裂纹扩展。同时，层间的硼酸酯键在断裂过程中逐渐破坏，进一步耗散能量。断面分析显示，仿生薄膜呈现出典型的“之字形”裂纹路径和层片拔出现象，证实了这种能量耗散机制的有效性。

将这种仿生薄膜应用于声学换能器时，其性能表现显著超越了现有商业化产品。测试结果显示，基于仿生薄膜的换能器基本共振频率达到1341 Hz，分别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、铝镁合金、石墨烯/PET和碳纳米管/PET等商业薄膜的2.93倍、2.37倍、1.54倍、1.29倍和1.23倍。

在位移振幅方面，仿生薄膜换能器达到175.3 nm/V，是传统PET薄膜的2.2倍。这意味着在相同的驱动电压下，仿生薄膜能够产生更大的声压级，实现更高效的电声转换。研究团队还通过实际测试验证了其音质表现——使用仿生薄膜换能器播放音乐，录制的声波形与原始音频高度吻合，展现出优秀的声音还原能力。

这种卓越的声学性能得益于仿生薄膜独特的结构设计。纳米限域结晶使得PEO层具有更高的模量和强度，软硬交替的层状结构则确保了薄膜在高频振动下的结构稳定性。同时，优异的抗疲劳性能保证了换能器能够长期稳定工作，这对于实际应用具有重要意义。

这项研究不仅成功破解了蝉发声器官的结构密码，更重要的是建立了一套完整的仿生设计和制备方法体系。通过调控软硬层的模量差异和层厚度，可以实现对材料性能的精准调控，为开发各类高性能薄膜材料提供了新思路。

研究团队提出的纳米限域结晶策略具有普适性，不仅适用于PEO/PF体系，还可以拓展到其他聚合物组合。这为设计具有特定功能的层状复合材料开辟了广阔空间。在声学领域，这种仿生薄膜有望应用于高端音响、精密传感器、医疗超声设备等多个方面。随着制备工艺的不断优化和规模化生产技术的发展，仿生声学材料有望在不久的将来走出实验室，服务于人们的日常生活。

大自然历经亿万年进化，造就了无数精妙的结构和材料。蝉这种看似普通的昆虫，其发声器官中蕴含的材料学智慧，为人类开发高性能材料提供了宝贵启示。正如这项研究所展示的，通过深入理解自然界的设计原理，并结合现代材料科学技术，我们能够创造出性能超越传统材料的仿生新材料，推动科技不断向前发展。

参考文献

【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：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）