2010年5月25日出版的《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表了澳门太阳娱乐网站官网力学与空天技术系张凯、 段慧玲">段慧玲、 王建祥">王建祥与英国Cardiff大学澳门太阳娱乐网站官网Bhushan Karihaloo合作的关于天然蜜蜂窝结构和力学性能研究的论文“Hierarchical, multilayered cell walls reinforced by recycled silk cocoons enhance the structural integrity of honeybee combs” ( Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107 (21)： 9502—9506. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0912066107)。该项研究揭示了天然蜜蜂窝在微观和细观尺度上的层次结构，发现了蜂窝的力学性能随其使用时间的增加而增强的规律，指出了天然蜂窝新的仿生学价值。PNAS将该论文作为当期的亮点论文之一给予了介绍。

 

      与大多数昆虫或鸟类的巢穴不同，蜜蜂窝完全使用蜜蜂自身的分泌物来建造。天然蜂窝具有精巧完美的六边形几何结构，是人类研究最多的多孔材料。模仿天然蜂窝的人工蜂窝材料在工业中得到十分广泛的应用，但是，目前使用的人工蜂窝仅仅是在宏观构型上模仿了天然蜂窝的结构，还没有实现对天然蜂窝微观结构的仿生。张凯等人使用光学显微镜、扫描电镜、纳米压痕、拉伸和剪切等测试技术揭示了天然蜜蜂窝的多级层次结构，测量了其力学特性。他们发现，蜜蜂窝的壁厚随着使用时间的增加逐渐增加，且蜂窝壁具有类似于当代航空航天工业中广泛使用的先进纤维增强复合材料层合板的结构。力学性能测量表明，蜜蜂窝在使用一年后，其剪切模量增加了两倍，两年后增加了三倍；同时剪切强度也相应地增加了三倍和四倍。这种纤维增强复合材料的结构避免了单质的蜂蜡结构在使用过程中由于温度变化而导致的破坏。

 

                 

使用一年的蜂窝在不同尺度下的结构： (A)六边形的宏观结构，(B) 具有多层结构的蜂窝壁，(C) 蜜蜂丝和蜂蜡组成的纤维增强复合层，(D) 蜂窝壁的横截面，(E)蜜蜂丝

 

      工业中使用的传统多孔材料的整体刚度小于母体材料的刚度；整体热膨胀系数等于母体材料的热膨胀系数。这两个特性对其应用施加了限制。张凯等在论文中指出，模拟天然蜂窝复合壁结构可以克服传统多孔材料的以上弱点，从而设计出轻质、高模量、热膨胀系数可变化的新型多孔材料，可广泛地应用于精密仪器、航天航空等工程领域。

 

      论文第一作者张凯是“国家建设高水平大学公派研究生项目”资助的联合培养博士研究生。该项研究工作得到中国国家自然科学基金、中英科学基金、全国优秀博士论文作者专项基金的资助。

 

其他作者简介：

     段慧玲">段慧玲：2138cn太阳集团古天乐理学博士(2005)，主要从事纳米力学、细观力学、半导体材料和器件中的应变工程和自组织现象产生的物理机制等方面的研究工作。在国内外学术杂志上发表论文50多篇，论文被他人SCI引用近240多次。在IUTAM Symposium、国内外学术会议和多所大学做邀请学术报告二十多次。

     王建祥">王建祥：现任澳门太阳娱乐网站官网力学与空天技术系教授、英国卡迪夫大学荣誉访问教授（2005-2011）、中国力学学会秘书长（2006-2010）、国际理论与应用力学联盟(IUTAM)第23届国际力学大会(ICTAM2012, 北京)秘书长、中国力学学会常务理事、中国力学学会国际交流与合作工作委员会主任、中国复合材料学会常务理事，《固体力学学报》、《复合材料学报》、Acta Mechanica Sinica、 Science in China (G)、 International Journal of Applied Mechanics编委。