跟着高技能范围对高功能防备材料须要的陆续擢升，现有防备材料（囊括金属材料、陶瓷材料和纤维复合材料等）的限定性（如金属密度大、陶瓷脆性和纤维复合材料硬度低等）正慢慢显现。近来，加州大学伯克利分校RobertRitchie感化探索组揭发了“巨骨舌鱼”（亚马逊流域一种淡水鱼）能够防守“水虎鱼（食人鱼）”可骇攻打的机制，觉察“巨骨舌鱼”鱼鳞中具备特别的螺旋胶合板微纳布局，恰是这类特别的螺旋构造使“巨骨舌鱼”能汲取来自外界施加负荷的能量并能灵验防守裂纹的扩大延长，这恰是其能够维护本身不被“水虎鱼”咬伤的关键。但是，今朝尚不足能够在宏观标准对一维微纳米纤维单位施行精巧高效的组装罗列技能，制备类当然盾皮鱼鳞布局的宏观仿生防备材料仍旧是一个挑战。
图一：“巨骨舌鱼”鳞片多标准布局。（a）“巨骨舌鱼”及其鳞片数码相片；（b）扫描电子显微镜下的鳞片截面，个中灰黑色部份（上）为鳞片高度矿化的硬质外壳层，趋于白色的地域为内纤维层；（c）内纤维层的个别强调，显示了歪曲偏转排布的纤维层（标注不同颜色的地域和白色虚箭头批示着不同取向的纤维薄片）；（d）简单取向纤维层进一步强调，显示了高度有序的胶原纳米纤维。
克日，华夏科学技能大学俞书宏感化头领的仿生探索团队，在深入了解盾皮鱼鳞微纳结讲和强韧化机制的根基上，初次提议单向/多向刷涂与螺旋层积相贯串的高模仿生组装战术，完成了宏观标准上精巧驾驭一维微纳米纤维的空间排布。探索论文以“Biomimetictwistedplywoodstructuralmaterials”为题发布于年第五期《国度科学议论》上(Natl.Sci.Rev.,5,-)。探索论文联合第一做家为博士生陈思铭和博士后高怀岭、朱银波。
探索人员以具备生物相容性的羟基磷灰石微纳米纤维为组装基元并贯串当然高分子海藻酸钠，进展了一种单向/多向刷涂与螺旋层积相贯串的高模仿生组装战术，胜利制备出具备类当然盾皮鱼鳞螺旋胶合板布局的宏观三维体型复合材料。经过拉伸和盘曲加载测试、材料多标准结讲和微裂纹电镜调查以及有限元模仿等机谋，探索团队证明了仿生螺旋布局材料的强韧化机制和当然盾皮鱼鳞高度宛如，材料在承载时所造成的微裂纹平行于微纤维长轴方位施行延长扩大，而且在不同取向的纤维层间浮现慢慢旋转延长的趋向，终究造成螺旋状的裂纹状态。这类由仿生螺旋布局所带来的繁杂裂纹扩大状态与常例纤维加强材料的类平面裂纹延长造成了鲜明的相比，由于（仿生螺旋布局材料）在单位主裂纹长度上具备更大的毁坏界面面积，是以具备更大的能量汲取亦即更为崇高的损伤防守能耐。
图二：仿生打算和力学表征。（a-b）刷涂与层积贯串的仿生组装战术：借助于刷毛特别的非对称锥形布局造成的拉普拉斯压差、刷毛有序滑动造成的剪切做使劲以及基底上稠密齐集物对微纳米纤维的限位效应，囊括羟基磷灰石微纳米纤维、碳酸钙晶须、硅酸钙纳米线和银纳米线在内的多种一维微纳材料均能够完成高度有序地排布；（c）仿生螺旋胶合板微布局人为材料;（d）仿生布局材料与当然材料的功能相比；（e）仿生布局材料与羟基磷灰石基生物医用材料的功能相比；（f）仿生布局材料与已有仿生材料和工程材料的功能相比。
力学实习成效说明，由羟基磷灰石微纳米纤维和海藻酸钠所修建的仿生螺旋布局复合材料，其盘曲强度达MPa，盘曲模量达16GPa，断裂韧性达9.5MPa·m1/2，优于很多当然生物材料（如木头、骨密质和牙釉质等）、人为仿生合成材料（如磷灰石基生物医用材料和合成珍珠母等）和现有工程材料（如环氧树脂、尼龙、碳化硅和氧化铝基陶瓷等）。所提议的仿生打算制备战术能够扩大至其余微纳米材料体制中，同时具备可程控、可扩大化和低能耗等上风，该战术无疑将为打算制备更多基于微纳米纤维的先进仿生复合材料供应了一种可行的建立法子。
为了更深入了解这类仿生螺旋布局材料的承载变形行动和生效机理，他们与我校吴恒安教讲课题组开展了合营。经过对修建的螺旋布局模子施行拉伸加载模仿剖析探索说明，在加载前提下，螺旋布局模子中大偏转角（偏转角：纤维取向与拉伸载荷方位的夹角）片层部份浮现出剪切、微裂纹桥连和开层等形变机制，进而汲取更多能量；小偏转角片层部份则浮现出剪切和旋转（旋转：纤维取向慢慢趋于拉伸方位）组合的变形机制，进而防守拉伸载荷。是以，在仿生螺旋布局材猜中小偏转角片层和大偏转角片层离别赋与材料的强度和韧性。还进一步觉察，繁杂的螺旋型裂纹扩大和层间耦合效应能进一步擢升裂纹延长阻力。是以，所研发的仿生螺旋布局材料具备突出的力学功能。
该处事发布后，离别被EurekAlert，phy.org.，RD，Azonano等学术媒体报导。德国康斯坦茨大学HelmutC?lfen感化在《国度科学议论》上撰写题为“EmergingartificialBouligand-typestructuralmaterials”的探索走光评论，并称“这一组装战术理睬经过详细的微纳米标准布局操控来打算高功能仿生宏观三维体型复合材料，且易推行至其余微纳米材料体制中。这项高度鼓动民心的处事必定水平上削减了微纳仿生打算与将来工程建立之间的差异，斥地了打算更多面向理论运用的微纳米纤维加强型先进仿生材料的道路。”（Natl.Sci.Rev.,DOI:10./nsr/nwy）。
该项探索遭到国度当然科学基金委翻新探索全体、国度当然科学基金中心项目、国度庞大科学探索策划、华夏科学院前沿科学中心探索项目、华夏科学院纳米科学突出翻新中央、姑苏纳米科技协同翻新中央、合肥硕科学中央突出用户基金的援助。
附论文链接：