我国科大研制一种新式非接连布利冈仿生结构资料

  结构由单向纳米纤维片层螺旋堆叠构成，在骨、鱼鳞、龙虾壳等多种生物资料中广泛存在，是一种典型的纤维增强结构，直接决议这些生物资料的杰出力学功能。仿照天然布利冈多级有序结构及其内涵强韧机制已被用于提高工程纤维复合资料功能的研讨中。但是，蕴藏在天然布利冈结构中的才智仍未得到充沛开发和运用，已完成的仿生布利冈结构与天然布利冈结构比较，不管在结构层级仍是结构精度方面都相差甚远。

  近来，我国科大俞书宏院士团队博士后陈思铭、高怀岭副研讨员等初次将珍珠母中的非接连“砖-泥”结构特性引进到布利冈结构设计中，提出了非接连布利冈结构的想象，并开展了一种程序化拼装纳米纤维的办法，成功地创制出一种新式的轻质高强仿生非接连布利冈结构纳米复合资料，完成了非接连纤维桥连和布利冈结构诱导裂纹偏转的协同增韧。该作业关于研制高功能结构资料供给了新的拼装办法。相关效果以“Biomimetic discontinuous Bouligand structural design enables high-performance nanocomposites”为题宣布在Cell旗下世界期刊Matter上。

  图1.纳米纤维程序拼装设备（A）、非接连布利冈结构（B）、经由程序拼装而完成的硬硅钙石-海藻酸钠纳米复合薄膜（C）。

  图2. 硬硅钙石-海藻酸钠纳米复合资料展示出优异的力学功能和稳健的裂纹扩展才能。资料功能优于许多天然布利冈结构资料（A）以及仿生组成资料和工程资料（B）。C-E，硬硅钙石-海藻酸钠纳米复合资料在撕裂加载后的断口描摹图，可见裂纹沿层厚方向高度歪曲。裂纹由FBZ和CTZ耦合而成。FBZ:fiber bridging zone（纤维桥连区）；CTZ: crack twisted zone（裂纹扭转区）。白色箭头指示拉扯变形的聚合物基质（E）。F，模仿计算而得的裂纹描摹，表现出与硬硅钙石-海藻酸钠纳米复合资料所展示的裂纹的一致性。

  研讨人员根据所开发的有序拼装纳米纤维基元的程序化设备，以环境友好的硬硅钙石纳米纤维和海藻酸钠为质料，经过螺旋拼装硬硅钙石纳米纤维于海藻酸钠基体中，并结合溶胶-凝胶-薄膜改变进程，成功制备了非接连布利冈结构纳米复合资料（图1）。试验标明，该资料展示了杰出的力学功能，优于许多天然布利冈结构资料（如鱼鳞片、层状骨、蟹螯、动物表皮硬质层）（图2A）以及仿生布利冈结构类似物和部分工程纤维复合资料（如碳纤维/尼龙纤维/碳化硅纤维/纤维素纤维复合资料）（图2B）。研讨人员与近代力学系倪勇教授和吴恒安教授等协作，进一步经过断口微结构剖析与理论模仿，发现所研制的资料表现出裂纹偏转和纤维桥连增韧机制（图2C-2F）。不只局限于薄膜，研讨人员进一步结合其前期开展的层压和界面交融技能，还构筑出具有必定厚度的块体结构资料。因为组分的生物相容性以及尺度的多样性，所研制的仿生纳米复合资料具有广泛的使用远景，例如作为高损害忍受功能的骨修正资料。

  这项研讨提出的非接连布利冈结构设计的详细方案关于往后开发新式纳米纤维复合资料和提高传统纤维增强复合资料的功能具有极端严重的指导意义。

  该作业遭到科技部国家要点研制方案“革新性技能要害科学问题”要点专项项目、国家天然科学基金委立异研讨集体、国家天然科学基金要点基金、合肥壮科学中心杰出用户基金等赞助。