我国科大在仿生适度有序布利冈结构资料的研讨方面取得重要展开

  历经长时间进化，天然生物资料多具有分级有序结构、精巧的基元界面和杰出的力学功能。作为生物结构的代表，布利冈结构由纳米纤维基元单向拼装成层然后螺旋堆叠而成，在鱼鳞片、龙虾腹膜、骨骼等生物资料中广泛存在。一起的纤维多级结构和稳健的纤维界面效果，可赋予生物资料杰出的力学功能，因而引起研讨人员的广泛重视。深刻理解生物布利冈结构及构效联系并以适宜的手法将其转录至人工资料系统有望推进纤维基结构资料的展开。近年来，仿生布利冈结构资料范畴取得长足进步。研讨人员已开发了多样的拼装战略和运用多类的纤维基元构筑仿生布利冈结构资料。仿生抗冲击尼龙-环氧复合资料、抗疲劳聚乙烯醇水凝胶、高强韧丝蛋白资料、无机手性功用资料相继出现。

  但是，现有研讨大多聚集在树立纤维基元拼装战略和完成不同纤维基元的拼装，在调控纤维基元界面效果以提高仿生布利冈结构应力传递功率和力学功用方面依然短缺。为此，我国科学技能大学俞书宏院士领导的仿生资料研讨团队针对纤维基元界面规划研讨单薄的现状，依据网络态习惯型纳米纤维基元的适度有序力学规划理念，展开了仿生布利冈结构多级次可重构纤维基元界面规划的系统性研讨，提出“仿生适度有序布利冈结构”的概念，分级构筑了具有动态可重构纤维界面的仿生布利冈结构资料。不同于传统仿生界面的化学交联固化，这种适度有序纤维规划发明的纤维桥接互锁结构和三维氢键网络能够终究靠纤维间滑移和氢键的开裂-重构赋予仿生界面对外部荷载的动态自习惯特性，并广泛耗散能量，为网络态纳米纤维基元的多级拼装供给了新思路，有助于高功能仿生结构资料的界面优化规划。相关研讨成果以“Hierarchical and reconfigurable interfibrous interface of bioinspired Bouligand structure enabled by moderate orderliness”为题宣布在世界归纳性期刊《科学展开》（Science Advances2024,10, eadl1884）。这种一起的仿生界面和半有序结构规划将为广泛存在的网络态纳米纤维基元的仿生拼装及拼装体高功能化与使用供给新的启示和辅导。

  纳米纤维的空间取向度是决议其摆放方法的重要的条件，经过合理规划纤维的空间摆放方法以调控纤维间的分子标准彼此效果有助于优化界面的变形形式和荷载传递才能。研讨人员以富含羟基的网络态细菌纤维素纳米纤维为模型基元，单轴牵伸其凝胶膜以诱导纳米纤维基元取向并一起缩小基元距离，但是试验上难以获悉取向度对纤维网络微观力学行为的影响机制。鉴于此，研讨人员进行了依据不同取向视点纤维模型的大规模分子动力学模仿（图1）。依据成果得出，经过引进空间取向度发生的贯穿连锁结构能够优化氢键网络的维度。三维氢键网络的空间桥接效应不只增强了纤维系统的荷载传递才能和反抗损坏稳定性，并且经过在塑性变形阶段引进更多的氢键开裂-重构行为以促进能量耗散。半有序模型的贯穿连锁系统促成了临界断面上纤维素分子链的桥接互锁效果，比较彻底有序模型临界断面上纤维素分子链的横向直接别离，半有序模型展现出愈加巩固的耐性断面。但是，过大的取向视点会削弱荷载沿拉伸主轴的传递功率和链间氢键密度，导致全体力学功能的下降。这种彼此敌对的影响机制阐明适度有序（半有序）的纤维摆放方法能取得最佳的纤维间界面效果，然后优化系统的力学功能。半有序规划理念是依据微观结构和氢键效果两方面的协同效果成果，彻底有序规划并不对应系统最优的力学性质，这反映了结构取向、纤维互锁和氢键网络维度之间的权衡。

  研讨人员使用扫描电子显微镜表征单轴牵伸后的细菌纤维素纳米纤维膜层的结构，发现纳米纤维基元的半有序摆放及桥接互锁行为；对该膜层预制必定长度的裂纹（预裂方向平行于牵伸方向）并施加撕裂载荷（加载方向垂直于牵伸方向）以促进裂纹相对平稳扩展，研讨之后发现扩展裂纹周边存在大面积的阴影区，在阴影区内则可发现纳米纤维基元微运动（如滑移、改变、环化等）的痕迹；进一步凭借偏振光-力学加载联用技能，经过实时查询膜层色彩演化，能够在更大的视界下监测膜层内纳米纤维基元微运动（图2）。这些电镜和光学试验表征证明了纳米纤维基元网络互联特性及其衍生的纳米纤维桥接互锁和三维氢键网络界面在促进基元微运动、广泛应力传递和能量耗散方面的优势。进一步结合螺旋堆叠和热压细密化，研讨人员制备出具有多标准各向同性的仿生适度有序布利冈结构资料。多标准各向同性体现在膜层螺旋堆叠和膜内纳米纤维基元半有序摆放两个方面，这与已广泛报导的仿生布利冈结构资料天壤之别，一起造就了仿生半有序布利冈结构资料对拉载方向的不敏理性。在多形式加载和干、湿态条件下的资料力学功能查询标明，所构筑的细菌纤维素基仿生半有序布利冈结构资料展现出杰出的归纳力学功能体现（如反抗刺穿才能和反抗撕裂才能等）和标准稳定性，在生物医用范畴如能量耗散型纤维软骨安排（如半月板等）的修正代替方面具有十分显着的使用远景。

  图2.联用偏振光-力学加载技能实时监测纳米纤维基元微运动与多标准各向同性仿生半有序布利冈结构对拉载方向的不敏理性

  全体上，由纤维桥接互锁和三维氢键网络介导的仿生半有序布利冈结构资料能够有显着效果地呼应外部荷载、调整本身结构、广泛散布应力、耗散外部能量，这正是该作业所提出的多级次可重构纤维界面规划的优势地点，与已报导的仿生布利冈结构界面规划天壤之别。能够预期，依据仿生半有序布利冈结构的纤维基元界面规划将为纳米纤维素资料的力学增强规划供给重要启示，一起将推进广泛存在的网络态纳米纤维基元的仿生拼装、拼装体高功能化和使用。

  我国科学技能大学微标准物质科学国家研讨中心副研讨员陈思铭和博士生王广振、工程科学学院博士生侯远震为一起榜首作者，化学与资料科学学院俞书宏教授、工程科学学院高怀岭特任教授和朱银波副教授为一起通讯作者。

  该作业遭到工程科学学院核算力学试验室吴恒安教授的尽心辅导和协助。该作业得到新柱石研讨员项目、国家重点研制方案、国家天然科学基金重点项目、安徽省严重基础研讨项目、我国科学技能大学双一流建造专项资金等项目的赞助。