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布利岡（Bouligand）結(jié)構(gòu)由單向納米纖維片層螺旋堆疊構(gòu)成，在骨、魚(yú)鱗、龍蝦殼等多種生物材料中廣泛存在，是一種典型的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，直接決定這些生物材料的卓越力學(xué)性能。模仿自然布利岡多級(jí)有序結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在強(qiáng)韌機(jī)制已被用于提升工程纖維復(fù)合材料性能的研究中。然而，蘊(yùn)藏在自然布利岡結(jié)構(gòu)中的智慧仍未得到充分開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，已實(shí)現(xiàn)的仿生布利岡結(jié)構(gòu)與自然布利岡結(jié)構(gòu)相比，無(wú)論在結(jié)構(gòu)層級(jí)還是結(jié)構(gòu)精度方面都相差甚遠(yuǎn)。

近日，中國(guó)科大俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)博士后陳思銘、高懷嶺副研究員等首次將珍珠母中的非連續(xù)“磚-泥”結(jié)構(gòu)特性引入到布利岡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出了非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)的設(shè)想，并發(fā)展了一種程序化組裝納米纖維的方法，成功地創(chuàng)制出一種新型的輕質(zhì)高強(qiáng)仿生非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了非連續(xù)纖維橋連和布利岡構(gòu)造誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)的協(xié)同增韌。該工作對(duì)于研制高性能結(jié)構(gòu)材料提供了新的組裝方法。相關(guān)成果以“Biomimetic discontinuous Bouligand structural design enables high-performance nanocomposites”為題發(fā)表在Cell旗下國(guó)際期刊Matter上。

圖1.納米纖維程序組裝裝置（A）、非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)（B）、經(jīng)由程序組裝而實(shí)現(xiàn)的硬硅鈣石-海藻酸鈉納米復(fù)合薄膜（C）。

圖2. 硬硅鈣石-海藻酸鈉納米復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)健的裂紋擴(kuò)展能力。材料性能優(yōu)于許多天然布利岡結(jié)構(gòu)材料（A）以及仿生合成材料和工程材料（B）。C-E，硬硅鈣石-海藻酸鈉納米復(fù)合材料在撕裂加載后的斷口形貌圖，可見(jiàn)裂紋沿層厚方向高度扭曲。裂紋由FBZ和CTZ耦合而成。FBZ:fiber bridging zone（纖維橋連區(qū)）；CTZ: crack twisted zone（裂紋扭轉(zhuǎn)區(qū)）。白色箭頭指示撕扯變形的聚合物基質(zhì)（E）。F，模擬計(jì)算而得的裂紋形貌，表現(xiàn)出與硬硅鈣石-海藻酸鈉納米復(fù)合材料所展現(xiàn)的裂紋的一致性。

研究人員基于所開(kāi)發(fā)的有序組裝納米纖維基元的程序化裝置，以環(huán)境友好的硬硅鈣石納米纖維和海藻酸鈉為原料，通過(guò)螺旋組裝硬硅鈣石納米纖維于海藻酸鈉基體中，并結(jié)合溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)變過(guò)程，成功制備了非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料（圖1）。實(shí)驗(yàn)表明，該材料展現(xiàn)了卓越的力學(xué)性能，優(yōu)于許多天然布利岡結(jié)構(gòu)材料（如魚(yú)鱗片、層狀骨、蟹螯、動(dòng)物表皮硬質(zhì)層）（圖2A）以及仿生布利岡結(jié)構(gòu)類似物和部分工程纖維復(fù)合材料（如碳纖維/尼龍纖維/碳化硅纖維/纖維素纖維復(fù)合材料）（圖2B）。研究人員與近代力學(xué)系倪勇教授和吳恒安教授等合作，進(jìn)一步通過(guò)斷口微結(jié)構(gòu)分析與理論模擬，發(fā)現(xiàn)所研制的材料表現(xiàn)出裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維橋連增韌機(jī)制（圖2C-2F）。不僅局限于薄膜，研究人員進(jìn)一步結(jié)合其早期發(fā)展的層壓和界面融合技術(shù)，還構(gòu)筑出具有一定厚度的塊體結(jié)構(gòu)材料。由于組分的生物相容性以及尺寸的多樣性，所研制的仿生納米復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景，例如作為高損傷容忍性能的骨修復(fù)材料。

這項(xiàng)研究提出的非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)于今后開(kāi)發(fā)新型納米纖維復(fù)合材料和提升傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能具有重要的指導(dǎo)意義。

該工作受到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等資助。

文章鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00108-4

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）