受生物啟發的微納米尺度纖維增強複合材料

神奇的自然界經過上億年的演化，孕育出千奇百態的生物材料，它們或作為生物體骨架，或作為防禦或進攻武器。這些自然結構材料雖然來源於相對單一和脆弱的天然組分，但憑藉著其高度有序的多尺度微納結構和精巧的界面設計，往往表現出超乎尋常的機械性能，因此，一直以來都是材料科學領域研究人員積極探索和模仿的對象。

通過微觀結構觀察可以發現，包括魚鱗、蟹鉗和骨骼等在內的許多生物材料均具有由微納米纖維多級次高度有序排布的螺旋膠合板結構。它們是結構精密的天然纖維增強複合材料，並且往往具有工程結構材料迫切需要卻難以獲得的優異損傷容忍能力。因此，以微納米纖維為結構單元，全面模仿此類多尺度分級自然結構將有望製備出可取代現有工程結構材料的高性能新型人工結構材料。然而，由於當前納米材料組裝技術特別是一維微納米結構單元的宏觀有序組裝手段的缺乏，模仿製備此類自然纖維增強結構材料一直是一個重大挑戰，目前尚未見報道有可行的製備策略可以實現此類仿生結構材料的有效製備。

針對這個挑戰，近期，中國科學技術大學俞書宏教授領導的仿生研究團隊受天然巨骨舌魚鱗片盔甲的微納尺度螺旋膠合板結構的啟發（a-d），首次提出一種自下而上的基於刷塗和層壓完美結合的高效組裝策略（e-f），利用生物相容性的微納米纖維和天然高分子作為構築組分，成功製備出了具有仿生螺旋膠合板結構的三維體型人工結構材料（g）。相關研究結果以「Biomimetic twisted plywood structural materials」為題在線發表於《國家科學評論》（Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy080. https://doi.org/10.1093/nsr/nwy080）。

研究表明，該工作所得的人工材料在一定程度上複製了自然結構材料的多尺度構造和韌化機理，實現了力學性能遠超過其基本構築組分的預期結果，並能夠與天然骨密質等諸多自然材料以及其它多種人工結構材料相媲美。更為重要的是，該團隊提出的用於宏觀三維尺度有效排布微納米尺度纖維的仿生組裝策略還可擴展至其它多種材料體系中，且具有低能耗、可程序化、可擴大化等諸多優點，因此為設計構築更多的先進仿生纖維增強結構材料（特別是盔甲防護材料）提供了新的技術途徑。

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