我科學家研制“龍蝦殼”新型仿生材料

4月6日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊首次提出了非連續(xù)布利岡（Bouligand）結構的設想，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高強仿生非連續(xù)布利岡結構納米復合材料，實現(xiàn)了非連續(xù)纖維橋連和布利岡構造誘導裂紋偏轉的協(xié)同增韌。該成果為研制高性能結構材料提供了新的組裝方法。相關論文日前發(fā)表在國際期刊《物質》上。

布利岡結構由單向納米纖維片層螺旋堆疊構成，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結構，直接決定這些生物材料的卓越力學性能。然而，蘊藏在自然布利岡結構中的智慧仍未得到充分開發(fā)和運用，已實現(xiàn)的仿生布利岡結構與自然布利岡結構相比，無論在結構層級還是結構精度方面都相差甚遠。

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，并結合溶膠—凝膠—薄膜轉變過程，成功制備了非連續(xù)布利岡結構納米復合材料。實驗表明，該材料展現(xiàn)了卓越的力學性能，優(yōu)于許多如魚鱗片、層狀骨、蟹螯等天然布利岡結構材料以及仿生布利岡結構類似物和部分工程纖維復合材料。進一步通過斷口微結構分析與理論模擬發(fā)現(xiàn)，該材料表現(xiàn)出裂紋偏轉和纖維橋連增韌機制。

這種仿生納米復合材料具有廣泛的應用前景，可作為高損傷容忍性能的骨修復材料等，對于今后開發(fā)新型納米纖維復合材料、提升傳統(tǒng)纖維增強復合材料的性能具有重要的指導意義。