抗疲劳饮料

3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天独厚的自由成形能力极大地满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求，被认为是制造领域的颠覆性技术。因而，3D打印材料在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。然而，与传统制造技术相比，3D打印制备的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。因此，如何提升3D打印材料与构件的疲劳性能是国内外学术界与工程界热切关注的焦点问题。近期，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队带头人张哲峰研究员在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，与轻质高强材料研究部杨锐研究员团队开展合作，在3D打印钛合金抗疲劳设计制备方面取得了突破性进展，制备出具有优异疲劳性能的3D打印钛合金材料。该项研究成果于2024年2月29日以题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”发表在Nature杂志上，金属所博士研究生曲展为论文第一作者，张振军研究员、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授、张哲峰研究员为论文通讯作者。在文中，研究人员首次明确提出：理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然优异的疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时，尽可能保留原始打印的组织状态。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。幸运的是，研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性；这意味着，存在一个宝贵的热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process）（图1），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。大量疲劳实验表明这一近Net-AM钛合金有效避免了从打印气孔、粗大板条及α相富集晶界等多种疲劳短板处开裂（图2），充分展示出3D打印组织自身所特有的高疲劳抗性：其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高达106%（图3）。通过对比发现，这种近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。这项成果更新了人们以往对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识，揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。该项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体(52321001)、优秀青年基金(52322105)、重点基金(52130002)、叶企孙联合基金(U2241245)、中国科学院王宽诚国际合作项目(GJTD-2020-09)与中国科学院青促会(2021192)等项目资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1论文DOI号：10.1038/s41586-024-07048-1图1. 打印态、NAMP态以及其他两种典型状态3D打印钛合金组织和缺陷特征：（a）打印态；（b）热等静压（HIP）态；（c）Near-net-AM态；（d）Net-AM态。图2. 不同组织疲劳裂纹萌生典型位置。（a）疲劳裂纹萌生位置表征的尖角逐层磨抛方法示意图；（b）Net-AM状态；（c）HIP状态；（d）Near net-AM状态。Net-AM状态的疲劳裂纹均从干净的初生β晶界（PBGBs）处萌生，成功避免了从缺陷和粗大组织开裂，从而表现出极高的疲劳抗力。图3. 本研究工作制备的Net-AM组织钛合金的疲劳性能（R=0.1）：（a） Net-AM组织钛合金拉-拉疲劳强度与增材和锻造钛合金疲劳强度对比；（b）Net-AM组织钛合金与其他材料的比疲劳强度对比。Net-AM组织钛合金不仅在钛合金中具有最高的疲劳强度，而且在所有材料中表现出最高的比疲劳强度。

脆性材料作为结构或功能部件被广泛应用于航空航天、电子器件和组织工程等领域。由于人工脆性材料对微裂纹和不易察觉的缺陷很敏感，在长时间的循环载荷作用下，材料很容易累积损伤产生疲劳裂纹，进而存在失效的风险。随着可折叠穿戴设备的发展，对具有高疲劳抗性的可变形功能材料的需求日益凸显。通过模仿典型的生物矿物材料如珍珠母、骨骼等的结构设计可以提升脆性材料疲劳抗性，但这常依赖于疲劳裂纹扩展过程中增韧行为，然而一旦裂纹开始扩展，就会对器件的性能产生不可逆的影响，因此寻找并开发新的耐疲劳结构模型对未来可变形功能材料的设计制备具有重要的科学意义和应用价值。中国科学技术大学俞书宏院士团队和吴恒安教授团队成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制，提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳设计新策略，为未来耐疲劳结构材料的合理创制发展提供了新的见解。研究成果以“Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata”为题，于6月23日发表在国际顶尖学术期刊《Science》上。审稿人评价称：“这份手稿展示了一个非常有趣的工作”、“这是一份令人兴奋的稿件。它集成了诸多表征技术来理解双壳纲铰链组织的显著疲劳抗性”、“这无疑激发了对生物复合材料的进一步研究，以设计抗疲劳性能增强的新材料”。同期《Science》观点栏目（Perspectives）以“A bendable biological ceramic”为题发表了评述（Science 2023, 380, 1216-1218），评述称“通过整合不同尺度的原理——从铰链的整体结构到单个晶体的原子结构——孟等人揭示了大自然如何主要从脆性成分中创造出抗疲劳、可弯曲、有弹性的结构。这些跨尺度原理要求在最精细的尺度上精确，而软体动物如此精确地沉积壳的细胞和分子机制是一个正在探索的领域”；“匹配生物精细控制对于对生物启发材料感兴趣的人类工程师来说是一个特别的挑战，正如开发模仿珍珠质强度和韧性的复合材料所面临的困难所证明的那样”；“尽管孟等人研究的力学性能与这种特殊生物体的需求相匹配，这些原理如何在更广泛的系统范围内得到完善，这是令人兴奋的前景。”论文共同第一作者为中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生孟祥森，近代力学系周立川博士（现就职于合肥工业大学）、化学系刘蕾博士。我校俞书宏院士、吴恒安教授和茅瓅波副研究员为论文通讯作者。双壳纲动物褶纹冠蚌（Cristaria plicata）又称鸡冠蚌，是一种常见的淡水蚌类。为了满足生存需求（滤食、运动等），其外壳在一生中需要进行数十万次的开合运动，而连接两片外壳的铰链部位也会经历反复的受压和变形，表现出优异的耐疲劳性能。本工作中，研究人员揭示了铰链部位中的折扇形矿物硬组织所蕴含的跨尺度耐疲劳设计原理。从计算机断层扫描图（CT）和剖面光学照片可以看出，铰链可以分为两个不同的区域：外韧带(OL)和折扇形矿物硬组织(FFR)（图1，A和B）。研究人员首先观察了这两个区域在双壳开合过程中的运动行为（图1，D和E），并结合有限元分析(FEA)，明晰了不同区域所承担的力学角色。在闭合过程中，OL发生拉伸，承担主要的周向应力并储存大部分弹性应变能；FFR区域在周向弯曲变形，并在受限的径向变形下提供强有力的径向支撑用以固定OL（图1，F到H）。图1（A）褶纹冠蚌和截面照片；（B）铰链切片照片和CT重构图；（C）在正常开合和过载状态下的疲劳测试结果；（D）开合前后铰链各区域形状变化及其轮廓图；（E）有限元模型对应的开合前后的铰链各区域形状变化及其轮廓图；（F）铰链有限元分析模型示意图；（G）开合状态下铰链各区域周向应力分布；（H）开合状态下铰链各区域径向应力分布。研究人员对FFR在不同尺度上的观察发现，其具有跨尺度多级结构特征。在宏观尺度上，FFR的扇形外形能使其在OL和外壳之间实现有效的载荷传递。进一步的深入观察发现，FFR由弹性有机基质和嵌入其中的脆性文石纳米线组成。文石纳米线直径约为100-200纳米，线的长轴方向在形貌上和扇形的径向方向一致，在晶体学上纳米线沿002晶向取向（图2，A到H）。考虑到文石晶体在002晶向的压缩模量远大于其他晶向，这种微观形貌和晶体学取向上的一致性意味着FFR能有效地为OL的拉伸提供支撑（图2，I和J）。这一结果也通过压缩力学和FEA模拟进行了进一步的验证。此外，FEA模拟结果显示，这种微米尺度上的软硬复合微观结构在压缩、拉伸、剪切三种受力状态下能够进行协调变形，在这个过程中有机基质承担了大部分的压缩和剪切应变，极大地减少了材料内部的应力集中，从而避免了文石纳米线侧向断裂，降低了FFR发生疲劳损伤的可能性。图2（A）FFR在纵向上的自然断面扫描图；（B）FFR在横向上的自然断面扫描图；（C和D）FFR脱钙处理之后的扫描图；（E和F）文石纳米线中的孪晶结构透射电子显微图片；（G和H）文石纳米线沿长度方向上的晶体学特征；（I和J）整个FFR中纳米线在形貌上和晶体学上的取向分析示意图。从FFR的横截面观察，文石纳米线呈近似六边形，研究人员通过高分辨透射电子显微镜也在纳米线中发现了纳米孪晶结构，考虑到文石纳米线沿002方向生长，这一结构可能与文石晶体Pmcn空间群易形成（110）孪晶界密切相关。这种沿纳米线纵向方向的孪晶结构的存在，在纳米尺度上大大强化了纳米线抗弯曲断裂的能力（图2，E和F）。与典型的天然硬质生物矿物材料（如骨骼、牙釉质）以及人工材料（如金属、水凝胶）等相比，FFR所展现的特殊之处在于它能在承担较大周向变形的同时，保持长时间的结构功能的稳定。这项研究从宏观到微纳米尺度上揭示了FFR的跨尺度多级结构设计原则（图3）。图3 典型生物和人工结构材料的耐疲劳设计机制。FFR中所具备的跨尺度结构特征使其在可变形能力上明显优于典型的生物矿物如牙釉质和骨骼，与常见的人工弹性体材料相比，FFR也一定程度保持了其高硬度和刚度。这项研究揭示了含脆性基元的生物矿物材料在较大形变下的耐疲劳设计新机制，填补了国际上含脆性组元的仿生耐疲劳材料设计的空白，所提出的整合跨尺度结构特征与功能特性的设计策略，能够在不同尺度上充分发挥每种成分的固有特性，从而实现材料整体性能的优化。这种兼顾变形性和耐疲劳性的跨尺度设计原则有望为未来功能材料的仿生设计和创制提供崭新思路。该研究得到了国家重点研发计划、新基石科学基金会、国家自然科学基金重点项目和中国科学院青促会等项目的资助支持。

原标题：部分功能饮料被夸大功效 只是饮料而非灵丹妙药　　近年来，功能饮料在市场上的种类和份额都在不断增长。有数据显示，2012年我国功能饮料占据整个饮料市场销售份额的14%。许多饮料企业看重这块市场，纷纷斥资进入。黑卡6小时、东鹏特饮、达利乐虎、台福充电、闽中真田等新品相继亮相，加上业界大佬红牛，功能饮料市场的激烈竞争一触即发，整个市场也呈现欣欣向荣之势。　　但是最近的一些关于功能饮料报道，可能让消费者在购买之时多了一重顾虑。有报道称，一名14岁的美国女孩24小时内饮用两罐容量大约为680毫升名为“怪兽”的功能饮料，出现心脏骤停状况而不治身亡，死亡原因为咖啡因中毒导致心律失常。但这并不是功能饮料首次夺人性命。据了解，2009年至2012年6月，美国药管局接到可能关联“怪兽”功能饮料的5起死亡和1起心脏病发作报告。国内市场销售的功能饮料是否也存在相同危险?消费者对功能饮料有多少了解?这是值得关注和深思的问题。　　《中国软饮料分类标准》中的功能饮料，是指通过调整饮料中天然营养素的成分和含量比例，以适应某些特殊人群营养需要的饮品，包括营养素饮料、运动饮料和其他特殊用途饮料3类。营养素饮料是指添加了适量的食品营养强化剂，以补充某些人群特殊营养需要的饮料，如脉动、可口可乐旗下的酷乐仕维他命水、益生菌饮料等 运动饮料则主要是添加了钾、钠等电解质或糖、维生素等营养素，有助于补充钠、钾，并保持肌体的水分，以佳得乐、劲跑、尖叫等为代表 特殊用途饮料是为适应特殊人群的包括抗疲劳在内的需要而调制的饮料，如红牛、加满、力保健等。目前，我国把功能饮料划入药品食品监督管理局监管，然而还没有制定相关法规，其标准也尚未出台，功能饮料市场存在不少问题。　　目前，部分功能饮料的功效被过分夸大，一些广告传达的信息让人感觉这不是饮料，而是“灵丹妙药”，喝一口就可以精神百倍地投入到高强度的工作当中去，就能在竞技场上战无不胜，就能够身体健康百病不侵。近年来加入功能饮料大军的美容保健饮料亦是如此，“下火”、“排毒”、“美肤”、“减肥”等功效宣传得如火如荼。然而专家表示，功能饮料并没有如此神奇，不合理饮用甚至可能对身体有一定副作用。以咖啡因、牛磺酸为主要抗疲劳成分的功能饮料，确实可以在短期内对疲劳起到缓解作用，但仅适合在疲劳状态下仍需工作的人群，且不能长期饮用。运动饮料则适合在强烈运动、人体大量流汗后饮用，其中的电解质和维生素可以补充人体机能，但并不适合在没有运动的情况下饮用，因为其中所含的钠元素会增加机体负担，引起心脏负荷加大、血压升高。专家提示，只要日常饮食科学合理，保证营养摄入充足和均衡，普通人无需额外饮用功能饮料。　　功能饮料的成分差别很大，各产品的配方全由企业自己决定。与此同时，功能饮料的销售市场也没有得到应有的监管。很多功能饮料都标注了不适宜人群，如红牛在罐体上标注了不适宜人群为少年儿童，启力亦标明不适宜人群为少年儿童、孕妇。功能饮料一般也都标明单日限饮量，可记者从相关销售人员处了解到，购买这类功能饮料的大军恰恰是“不适宜人群”中的少年儿童，尤其是在学校、网吧、体育场等周边的小卖铺，红牛等功能饮料卖得特别多。