夏日林間，蟬鳴陣陣。這些小小的昆蟲之所以能夠發出高達100分貝的聲音，並且聲波可傳播數百米之外，奧祕就在於在它們獨特的發聲器官——鼓膜。近日，中國科學技術大學程羣峯教授課題組與中國科學院理化技術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構，成功研製出一種性能卓越的仿生聲學換能器薄膜，爲高性能聲學器件的開發開闢了新路徑。

自然的智慧：蟬鳴背後的材料學

蟬的發聲器官位於胸腹交界處，由肌肉和肋骨膜協同工作。當肌肉收縮時，肋骨膜產生形變並快速回彈，每秒可振動超過50次，產生的共振聲波經過體內氣囊放大後傳播出去。令人驚歎的是，這種高頻振動可以持續數小時而不會導致結構疲勞損壞。

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

更爲精妙的是，幾丁質在納米尺度受限空間內形成了高度有序的晶體結構。這種納米限域結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構中，進一步提升了材料的機械性能。正是這種多層次的結構設計，讓蟬的發聲器官能夠在高強度、高頻率的工作條件下保持長期穩定。

仿生之路：從觀察到創造

受蟬肋骨膜結構的啓發，研究團隊採用層層交替旋塗限域構築策略，選擇聚氧乙烯（PEO）作爲軟質層，酚醛樹脂（PF）作爲硬質層，通過精確控制旋塗工藝參數，成功製備出了具有仿生軟硬交替結構的全有機複合薄膜。

在製備過程中，研究人員首先在玻璃基底上旋塗一層PEO溶液，形成親水性表面並逐漸平整化。隨後旋塗PF預聚物溶液，通過重複這一過程形成多層結構。關鍵的創新在於界面交聯策略——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，模擬了昆蟲體內幾丁質結合蛋白的作用機制。這種界面增強不僅提高了層間的結合強度，更賦予了材料優異的能量耗散能力。

通過精確調控PEO的濃度、旋塗速度和時間，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，PEO的結晶行爲發生了顯著變化——從常規的二維球晶轉變爲堆疊片晶，最終形成單晶結構。這種納米限域結晶顯著提升了材料的結晶度，從而增強了其力學性能。

蟬鳴膜（tymbal）結構與人工肋狀薄膜（ARF）的製備。

(A) 蟬的光學圖像。

(B) 蟬鳴膜的光學圖像。

(D) 示意圖展示了肋結構中幾丁質與彈性蛋白（resilin）的分層分佈，幾丁質具有高楊氏模量，彈性蛋白具有低楊氏模量。

(E) ARF（人工肋狀薄膜）的層層沉積製備過程示意圖。聚乙烯氧化物（PEO）與酚醛樹脂（PF）溶液交替旋塗於玻璃基底，每層沉積間均進行充分乾燥。

(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 層狀結構。

(H) ARF 與商業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：數據見證突破

仿生薄膜展現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載荷下，仿生薄膜可承受45,303次循環而不發生斷裂，展現出優異的抗疲勞性能。

這種優異性能源於多重增韌機制的協同作用。當外力作用時，硬質PF層首先承受載荷併發生應力集中，軟質PEO層則作爲韌性剪切帶，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，仿生薄膜呈現出典型的“之字形”裂紋路徑和層片拔出現象，證實了這種能量耗散機制的有效性。

聲學應用：超越傳統的表現

將這種仿生薄膜應用於聲學換能器時，其性能表現顯著超越了現有商業化產品。測試結果顯示，基於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PET薄膜的2.2倍。這意味着在相同的驅動電壓下，仿生薄膜能夠產生更大的聲壓級，實現更高效的電聲轉換。研究團隊還通過實際測試驗證了其音質表現——使用仿生薄膜換能器播放音樂，錄製的聲波形與原始音頻高度吻合，展現出優秀的聲音還原能力。

這種卓越的聲學性能得益於仿生薄膜獨特的結構設計。納米限域結晶使得PEO層具有更高的模量和強度，軟硬交替的層狀結構則確保了薄膜在高頻振動下的結構穩定性。同時，優異的抗疲勞性能保證了換能器能夠長期穩定工作，這對於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聲器官的結構密碼，更重要的是建立了一套完整的仿生設計和製備方法體系。通過調控軟硬層的模量差異和層厚度，可以實現對材料性能的精準調控，爲開發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晶策略具有普適性，不僅適用於PEO/PF體系，還可以拓展到其他聚合物組合。這爲設計具有特定功能的層狀複合材料開闢了廣闊空間。在聲學領域，這種仿生薄膜有望應用於高端音響、精密傳感器、醫療超聲設備等多個方面。隨着製備工藝的不斷優化和規模化生產技術的發展，仿生聲學材料有望在不久的將來走出實驗室，服務於人們的日常生活。

大自然歷經億萬年進化，造就了無數精妙的結構和材料。蟬這種看似普通的昆蟲，其發聲器官中蘊含的材料學智慧，爲人類開發高性能材料提供了寶貴啓示。正如這項研究所展示的，通過深入理解自然界的設計原理，並結合現代材料科學技術，我們能夠創造出性能超越傳統材料的仿生新材料，推動科技不斷向前發展。

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）

監製：中國科普博覽