图1 银杏果壳由石细胞通过“纹孔”互锁组装而成
图2 银杏果壳独特的石细胞“互锁”结构，赋予其优异的比断裂韧性
图3 “纹孔”诱导裂纹进入石细胞内部，通过分层和撕裂吸收能量
在国家自然科学基金项目（批准号：52125302、22075009、51961130388、21875010和51903125）等资助下，北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组在解析天然银杏果壳新颖结构及其力学性能方面取得进展，相关成果以“银杏果壳提供了一种独特的仿生设计模型（Ginkgo seed shell provides a unique model for bioinspired design）”为题，于2022年11月28日在线发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）杂志。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211458119。
天然结构材料，如木材、骨骼、鲍鱼壳等，均具有优异的力学性能，特别是对裂纹扩展的抵抗能力。这类材料的高断裂韧性主要源于微纳米多级次结构对裂纹的终止作用，即高效的外部增韧机理。而目前广泛研究的天然结构材料，其力学性能大都具有高度各向异性，导致这些材料难以抵抗全方向的裂纹扩展。
鉴于此，研究人员首次发现了银杏果壳石细胞“互锁”的独特结构，它在不同方向上都具有优异的抵抗裂纹扩展能力。银杏果壳通过大量具有厚细胞壁的多边形石细胞紧密地结合在一起（图1）。石细胞的内部次生壁中是半径约为1.2微米的细长管道，即纹孔。这些纹孔从细胞中部的空腔延伸至胞间层，与相邻石细胞的纹孔形成“纹孔对”结构，将相邻的细胞壁“互锁”在一起。这种独特的结构使得银杏果壳各个方向的起扩KIC基本一致（图2），在施加载荷的情况下，纹孔诱导石细胞中靠近胞间层的细胞壁通过分层和撕裂等方式吸收能量（图3）。
本工作发现了银杏果壳的纹孔互锁石细胞的奇特结构，从而赋予银杏果壳全方向抵抗裂纹扩展的能力，为构筑力学性能各向同性的高分子纳米复合材料提供了仿生启示。