殼內(nèi)層結(jié)構(gòu)竟成隱身材料關(guān)鍵？中國團(tuán)隊(duì)破解珍珠母密碼
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-15 15:27:50
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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)傳來突破性進(jìn)展，成功制備出一種結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)的仿珍珠母復(fù)合材料。這款復(fù)合材料集多項(xiàng)卓越性能于一身，不僅具備獨(dú)特的顏色可調(diào)性和優(yōu)異的透波性能，還實(shí)現(xiàn)了輕量化、高強(qiáng)度、高韌性及出色的抗沖擊性能，為研發(fā)兼具隱身與防護(hù)性能的仿生材料開辟了全新路徑，相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際知名期刊《先進(jìn)材料》。 一、自然啟示：珍珠母結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)密碼 在自然界的演化歷程中，生物鎧甲的精妙設(shè)計(jì)始終是人類材料創(chuàng)新的靈感源泉。珍珠母作為軟體動(dòng)物貝殼的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，以其獨(dú)特的 “磚 - 泥” 分層架構(gòu)（95% 無機(jī)碳酸鈣納米片與 5% 有機(jī)蛋白質(zhì)基質(zhì)），展現(xiàn)出超越單一成分的優(yōu)異力學(xué)性能 —— 其斷裂韌性可達(dá)普通碳酸鈣的 300 倍以上，同時(shí)具備與環(huán)境匹配的色彩偽裝能力。這種 “強(qiáng)韌兼具、功能集成” 的特性，為人工復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了黃金范本。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)的最新研究，正是將這種自然智慧轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的典型案例。 團(tuán)隊(duì)通過模擬珍珠母的多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)，開發(fā)出仿珍珠母氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料，不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化（密度僅為鋼的 1/3）、高強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度達(dá) 450MPa）和高韌性（斷裂韌性是商用氧化鋁陶瓷的 3 倍）的協(xié)同優(yōu)化，更創(chuàng)新性地賦予材料可調(diào)色彩與高效透波性能，為通信設(shè)備防護(hù)殼體、隱身材料等領(lǐng)域提供了全新解決方案。 二、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：從 “磚 - 泥” 架構(gòu)到雙氧化物界面設(shè)計(jì) 俞書宏團(tuán)隊(duì)提出的 “雙氧化物界面設(shè)計(jì)策略”，是對(duì)珍珠母 “磚 - 泥” 結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化演繹。通過自蒸發(fā)組裝技術(shù)，團(tuán)隊(duì)將氧化鋁微米片有序堆疊，形成類似珍珠母 “磚塊” 的層狀框架。 隨后利用高溫?zé)Y(jié)工藝，在微米片界面生成無定形二氧化硅 “礦物橋”，模擬天然珍珠母的有機(jī)基質(zhì)功能。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅通過 “磚塊 - 橋接” 機(jī)制提升了界面結(jié)合強(qiáng)度，更通過調(diào)控礦物橋的化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)了材料顏色從淺灰到深棕的可控調(diào)節(jié) —— 其著色原理類似于珍珠母通過微觀結(jié)構(gòu)散射光線產(chǎn)生的虹彩效應(yīng)。  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該仿珍珠母復(fù)合材料的抗沖擊能量吸收能力達(dá)到商用氧化鋁陶瓷的 4 倍，這得益于其獨(dú)特的多級(jí)耗能機(jī)制：當(dāng)材料受沖擊時(shí)，層狀氧化鋁微米片首先通過滑移耗散能量，隨后礦物橋的彈性變形進(jìn)一步吸收沖擊能，最終通過微米片的漸進(jìn)式斷裂實(shí)現(xiàn)能量的逐層釋放。這種 “分級(jí)抵抗” 模式，與珍珠母通過納米片層錯(cuò)動(dòng)、有機(jī)質(zhì)拉伸實(shí)現(xiàn)抗斷裂的機(jī)制異曲同工。 在透波性能方面，團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化層狀陶瓷框架與低介電常數(shù)聚合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了微米級(jí)透波通道。單晶氧化鋁微米片的光軸垂直取向，配合無定形二氧化硅的低介電特性，使材料在 3-18GHz 頻段的電磁波透過率超過 90%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)金屬基屏蔽材料。這種 “力學(xué) - 功能” 的協(xié)同設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)防護(hù)材料 “重防護(hù)則弱功能” 的困局。 三、二維碳基納米復(fù)合材料（TDCNs）：珍珠母啟發(fā)的新一代高性能材料 除了陶瓷基復(fù)合材料，受珍珠母啟發(fā)的二維碳基納米復(fù)合材料（TDCNs）正成為研究熱點(diǎn)。以石墨烯、MXene 等二維碳材料為 “磚塊”，通過界面橋接策略構(gòu)建的 TDCNs，其力學(xué)性能已媲美甚至超越傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料。例如，石墨烯 / 聚合物基 TDCNs 的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1200MPa，是同體積碳纖維復(fù)合材料的 1.5 倍，而密度僅為其 80%。 空隙缺陷是制約 TDCNs 性能的核心問題。研究表明，傳統(tǒng)制備工藝中二維材料堆疊時(shí)產(chǎn)生的納米級(jí)空隙，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中并降低導(dǎo)電性。通過納米 CT 和聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB/SEM）等表征技術(shù)，研究人員揭示了空隙形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并開發(fā)出三種針對(duì)性策略： 界面橋接：引入氫鍵、離子鍵或 π-π 作用增強(qiáng)二維材料間的化學(xué)結(jié)合，如通過多巴胺改性石墨烯表面，使其與聚合物基質(zhì)形成共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)； 協(xié)同增韌：混合不同尺寸的二維材料（如石墨烯納米片與碳納米管），通過 “填料級(jí)配” 效應(yīng)填充空隙； 受限組裝：利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)引導(dǎo)二維材料定向排列，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)密堆積。 這些策略可將 TDCNs 的空隙率從傳統(tǒng)工藝的 15%-20% 降低至 5% 以下，使材料的導(dǎo)電率提升 3-5 倍，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率提高 40%。 TDCNs 的制備工藝具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。真空輔助過濾、刮刀涂布等方法無需高溫高壓，能耗僅為傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料制備工藝的 1/3。這種特性使其在柔性電子器件（如可穿戴傳感器）、電磁屏蔽（如 5G 基站防護(hù)材料）、骨組織工程（如仿生骨板）等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。例如，MXene 基 TDCNs 因其高導(dǎo)電性和生物相容性，已被用于開發(fā)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)骨愈合進(jìn)程的智能植入物。 四、未來展望：跨越鴻溝，邁向仿生材料新紀(jì)元 仿生珍珠母復(fù)合材料的發(fā)展依賴多學(xué)科融合，分子動(dòng)力學(xué)模擬與深度學(xué)習(xí)算法助力材料設(shè)計(jì)優(yōu)化。但產(chǎn)業(yè)化面臨雙重挑戰(zhàn)：二維碳材料制備成本高、陶瓷基加工復(fù)雜，亟需創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)與資源利用方式；同時(shí)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建力學(xué)、功能與環(huán)境適應(yīng)性多維評(píng)價(jià)體系迫在眉睫。 未來研究聚焦三大方向：開發(fā)自修復(fù)、自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)材料；推廣甲殼素等可降解的全生命周期綠色材料；探索宏觀力學(xué)與納米功能集成的跨尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 從仿生靈感汲取到材料創(chuàng)新，人類正以“師法自然”的理念推動(dòng)技術(shù)變革。俞書宏團(tuán)隊(duì)的突破標(biāo)志著材料科學(xué)從“試錯(cuò)”邁向“精準(zhǔn)仿生”。隨著技術(shù)融合與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，仿生材料有望革新多領(lǐng)域應(yīng)用，開啟“結(jié)構(gòu)精密、功能多元、制備綠色”的材料新時(shí)代。正如《先進(jìn)材料》審稿人所言，與自然協(xié)作是材料創(chuàng)新的無限可能。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_575230.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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