《Acta Biomaterialia》：Optical Asymmetric Transmission Design with Mechanical Robustness in the Shell of
Polinices albumen
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本工作发现蜗牛壳Polinices albumen的双层交叉层结构产生方向依赖的透射特性，内层透光率显著高于外层，旋转180°时对比度反转，这种结构兼具高硬度和抗裂性，为仿生光学材料设计提供新思路。
刘林志|段峰|潘二才|李建辉|郭俊彦|易璐瑶|龙飞|傅正一|邹照勇
中国三亚572024，武汉理工大学三亚科教创新园。
摘要
非对称传输（AT）对于光隔离器和环形器等光学器件至关重要。然而，将这一功能集成到能够承受恶劣工作条件的坚固块状材料中仍是一个尚未解决的挑战。在这里，我们报道了一种在腹足类动物Polinices albumen壳中先前被忽视的非对称传输现象，该壳具有独特的双层交叉层状结构。我们发现内层的光学透射率显著高于外层。有趣的是，在每一层中，明暗层状结构在入射光旋转180°后其光学对比度会反转，显示出明显的方向依赖性传输。这种非对称传输效应可能源于壳的多层结构、成分以及文石晶体（CaCO3）的精确控制的晶体取向。值得注意的是，这种结构同时具有高硬度和抗断裂性，突显了一种自然的设计范式，成功结合了光学和机械功能。壳的光学性质的进化变化——幼年壳仅由顶端代表，表现出内层的透明特性，而成年壳由外表面代表，显示出高反射性——反映了其从猎物状态到捕食者状态的自然发育转变。因此，观察到的非对称传输现象是这一发育过程的结果。我们的工作揭示了一种先前未被认识到的生物非对称传输策略，并为在恶劣环境中制造生物启发型光学材料（例如红外窗口、干涉涂层）提供了蓝图。
重要性声明
本研究报道了在软体动物壳
中发现的固有非对称光学传输现象，这是通过具有可控晶体取向的相互锁定的文石纤维的层次结构实现的。与难以结合方向光学功能和机械耐用性的合成材料不同，这种天然系统同时表现出高对比度的非对称传输以及高硬度和抗断裂性。这些发现为多功能结构材料的自然设计策略提供了新的见解，并为开发先进的光学-机械集成系统（如坚固的光学传感器、红外窗口或防护涂层）提供了生物启发的蓝图，这些系统能够在恶劣环境中工作。引言
非对称传输（AT）——即结构在相反的入射方向上传输波的能力——是现代光子学中的关键功能。它是光隔离器和环形器的工作原理，这些器件对于保护激光源、管理量子系统中的光路径以及实现电磁屏蔽至关重要[1]。传统的AT器件通常依赖于磁光效应[2]或工程化超材料[3,4]，这可能涉及复杂的制造过程、有限的带宽或较差的机械韧性。然而，开发同时具有强AT和机械强韧性的合成块状材料仍然是材料科学中的一个基本挑战。这样的器件通常需要复杂的、往往难以制造的结构各向异性，同时不牺牲机械完整性。
在弹性超材料的研究中，单元结构由三部分组成：壳、核心和软涂层。壳和核心由相对较硬的材料制成，而软涂层由较软的材料制成。硬材料的硬度有助于确定结构的共振频率，并在局部振动模式中起作用，这些模式对于非对称波传输至关重要，其中波可以被选择性地阻挡或传输。软材料使得超材料能够在多个频带内表现出非对称波传输特性[5]。对于弹性波斗的设计，材料必须能够控制弹性波，以便斗内的物体不会被周围波检测到。材料的各向异性旨在打破弹性张量的二次对称性，使其在不同方向上表现出不同的波行为。同时，材料的机械韧性至关重要，因为如果没有韧性，超材料在负载下可能会失效，尤其是在受到连续或高强度弹性波的作用下[6]。
软体动物壳主要由碳酸钙（CaCO3）[7]组成[7]，是因其非凡的机械性能（如高韧性和强度）而备受推崇的天然材料的经典例子，这些性能源自其复杂的层次结构，如珍珠层和交叉层状结构[[8], [9], [10], [11], [12]]。除了其机械性能外，越来越多的研究表明，这些生物陶瓷还进化出了复杂的光学功能。例如，某些幼年壳的双折射结构非常适合偏振光成像[13]，表面下的锯齿状多层结构和球形吸收体能够产生鲜艳的结构颜色[14]，而螺壳中的排列整齐的纤维束则充当天然的光纤窗口[15]。虽然这些研究突出了方向性光学行为，但在软体动物壳中尚未发现旨在实现高效非对称传输的刻意结构设计——这与人造器件的性能相当。这一空白突显了在这些古老生物复合材料中发现新光学现象的潜力，这可能为生物启发工程提供一个变革性的模型。
在这里，我们研究了月蜗牛Polinices albumen（Linnaeus, 1758），它属于Naticidae科[16]，分布在中国和马来西亚，通常栖息在低潮线以下的浅海海底。壳的不同区域具有不均匀的光和暗分布光学特征，壳的表面还具有陶瓷珐琅的光泽。此外，作为一种捕食性腹足类软体动物（主要以双壳类动物甚至其他月蜗牛为食），尽管没有相关记录表明P. albumen会直接受到捕食者的攻击，我们可以推测其厚实且机械稳定的壳可以为其提供生存优势[17,18]。对其壳的初步观察揭示了显著的光学特性：内层具有高透射率，而外表面则具有高反射性。更有趣的是，在其横截面中存在交替的明暗层状结构，当样品翻转时，这些层状结构的对比度会反转。这一直观的视觉线索表明了强烈的非对称传输效应。我们假设这种现象与壳特有的交叉层状结构密切相关，这种结构以其机械强度而闻名，但其光学特性尚未被探索。为了验证这一点，我们采用了多种技术方法来关联壳的层次结构和晶体学与其光学和机械性能。我们的工作不仅识别出一种先前未知的非对称传输材料，还阐明了支配这种自然结构的设计原理，为开发多功能生物启发材料提供了独特的模型。
材料制备
在线购买了干燥的P. albumen壳，这些壳产自越南。使用锯子切除了壳的主体部分，并借助Renfert（德国）的Vario E蜡加热器固定样品。然后使用Buehler（美国）的IsoMet Low Speed钻石切割机（切割位置控制在图1B中的黄色和蓝色箭头之间）将壳切割成不同的测试样品，如横截面和垂直截面。
光学性质
P. albumen的壳具有特征性的扁球形，基部前端有一个开口和一个独特的孔径（图1A-C）。从壳的前端到后端，由于孔径的收缩，横截面的几何形状逐渐变窄，在后端形成了一个环形腔室。样品的方向由伪圆柱坐标系表示，其中N（法线）代表外表面的法线方向，L
讨论
在这项工作中，我们介绍了Polinices albumen壳中交叉层状结构的多层次光学和机械设计。通过比较P. albumen壳内层和外层的光学透射率，我们发现内层的低孔隙率对应于更高的透射率。此外，这种结构可以抑制裂纹的局部传播，并赋予其更高的硬度。与其他物种相比，二阶层状结构表现出
结论
通过对高度矿化的P. albumen壳的多尺度研究，我们得出结论，其交叉层状结构不仅赋予了壳高机械强度和可控的裂纹传播路径，还在其内外层之间产生了明显的、依赖于翻转的光传输不对称性。这种高光学透明度、方向性反射率和硬度的独特组合代表了第一个明确的光学非对称传输示例
作者贡献
Z.F.和Z.Z.提出了想法并设计了实验。L.L.进行了实验和表征（XRD、SEM、TEM、拉曼等）。L.L.和Z.Z.实施了数据分析。所有作者讨论了结果。L.L.起草了手稿。Z.F.和Z.Z.修订了手稿。
数据可用性声明
支持本研究发现的数据可向相应作者提出合理请求后获取。
CRediT作者贡献声明
刘林志：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。段峰：研究。潘二才：研究。李建辉：方法论、研究、数据管理。郭俊彦：方法论、研究。易璐瑶：方法论、研究、正式分析。龙飞：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。傅正一：撰写——审阅与编辑、资金获取、数据管理、概念化。邹照勇：撰写——审阅与编辑，
