我科學(xué)家研制“龍蝦殼”新型仿生材料

4月6日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊首次提出了非連續(xù)布利岡（Bouligand）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。該成果為研制高性能結(jié)構(gòu)材料提供了新的組裝方法。相關(guān)論文日前發(fā)表在國際期刊《物質(zhì)》上。

布利岡結(jié)構(gòu)由單向納米纖維片層螺旋堆疊構(gòu)成，在骨、魚鱗、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。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發(fā)和運(yùn)用，已實現(xiàn)的仿生布利岡結(jié)構(gòu)與自然布利岡結(jié)構(gòu)相比，無論在結(jié)構(gòu)層級還是結(jié)構(gòu)精度方面都相差甚遠(yuǎn)。

研究人員基于所開發(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)變過程，成功制備了非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料。實驗表明，該材料展現(xiàn)了卓越的力學(xué)性能，優(yōu)于許多如魚鱗片、層狀骨、蟹螯等天然布利岡結(jié)構(gòu)材料以及仿生布利岡結(jié)構(gòu)類似物和部分工程纖維復(fù)合材料。進(jìn)一步通過斷口微結(jié)構(gòu)分析與理論模擬發(fā)現(xiàn)，該材料表現(xiàn)出裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維橋連增韌機(jī)制。

這種仿生納米復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用前景，可作為高損傷容忍性能的骨修復(fù)材料等，對于今后開發(fā)新型納米纖維復(fù)合材料、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。