中科大俞書宏Nat. Commun.：高性能體型人工珍珠層仿生材料的宏量制備取得重要進展

【引言】

天然珍珠層材料由95wt%的脆性碳酸鈣和5wt%的柔性有機質組成，然而卻以其獨特的高強度和高韌性組合而受到研究人員的廣泛關注。研究表明其秘密在于珍珠層材料的多級有序層狀微納“磚-泥”結構。受其啟發，在近幾十年里研究人員發展了多種構筑方法，并采用各種高性能微納基元，通過模仿天然珍珠層的多級結構以制備高性能人工結構材料。雖然該研究領域已取得了巨大的進展，但是當前目標材料大多仍集中于二維薄膜材料，而對于可用于力學承載的三維體型人工珍珠層材料的仿制只能實現有限的尺寸。因此，如何優質高效地制備更接近實用化的宏觀大尺寸體型人工珍珠層材料仍然面臨著巨大的挑戰。

【成果簡介】

基于此，中國科學技術大學的俞書宏教授（通訊作者）和倪勇教授（共同通訊作者）團隊提出了由下而上的高效組裝新策略，首先采用高效的溶液鑄膜法將微納基元構筑成仿珍珠層結構的二維薄膜材料，進而將所得薄膜材料進行疊合熱壓，最終輕易獲得了大尺寸的三維體型人工珍珠層材料。由于在材料設計過程中，分別從分子尺度到宏觀尺度的各個層面對材料結構進行了優化，所制備的體型材料成功地復制了天然珍珠層材料的多級結構和增韌機理，并且其力學性能可與多種自然結構材料和工程材料相媲美。這一多級組裝新策略具有靈活性、高效性、普適性，可以應用到其他多種材料體系中，因此，在規模化制備三維體型人工珍珠層材料方面展現出卓越的優勢，該工作為優質高效地制備面向實際應用的高性能仿生結構材料提供了新的研究思路和途徑。

【圖文導讀】

圖一：人工珍珠層材料的制備及表征

(a) 三維體型人工珍珠層材料制備策略；

(b)人工珍珠層材料的數碼照片；

(c)人工珍珠層材料的SEM顯微結構；

(d)天然珍珠層材料的SEM顯微結構；

(e)高速相機捕獲的人工珍珠層材料的沖擊測試過程；

(f)高速相機捕獲的天然珍珠層材料的沖擊測試過程。

圖二：多尺度結構設計優化與性能比較

(a) 人工、自然珍珠層材料以及其他幾種對比材料的三點彎曲力學曲線對比；

(b) 人工、自然珍珠層材料以及其他幾種對比材料的彎曲強度、彎曲模量對比；

(c) 人工、自然珍珠層材料以及其他幾種對比材料的斷裂韌性對比；

(d) 人工、自然珍珠層材料以及其他幾種對比材料的增韌曲線對比。

圖三：人工珍珠層材料的多級次增韌機理

(a) SEM圖像顯示了在開口彎曲測試中，大尺度的裂紋偏轉；

(b) SEM圖像顯示了裂紋偏轉、分叉、以及萌生的多級裂紋；

(c) SEM圖像顯示了接近裂紋末端的裂紋橋；

(d) SEM圖像顯示了磷酸鈣微納片的拔出，海藻酸鈉聚合物的橋連、牽引；

(e) 非線性有限元模擬人工珍珠層材料的破壞過程。

圖四：人工珍珠層材料的性能對比研究

(a) 人工珍珠層材料與其他自然結構材料和工程材料在斷裂韌性和剛度兩方面的對比；

(b) 人工珍珠層材料與其他自然結構材料和工程材料的比強度和比斷裂韌性兩方面的對比。

【小結】

本工作基于自下而上的組裝新策略，通過由分子尺度到宏觀尺度的多尺度結構調控，成功制備了在結構和性能上可與自然珍珠層材料相媲美的高性能、大尺寸、體型人工珍珠層仿生材料。此外，該制備方法適用于其他多種材料體系，因此，在新型輕質高強仿生結構材料設計等方面具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Mass-production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties（Nat.Commun.,2017, 8, 287,DOI:10.1038/s41467-017-00392-z）

材料人編輯部整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！