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  神奇的自然界經(jīng)過(guò)上億年的演化，孕育出千奇百態(tài)的生物材料，它們或作為生物體骨架，或作為防御或進(jìn)攻武器。這些自然結(jié)構(gòu)材料雖然來(lái)源于相對(duì)單一和脆弱的天然組分，但憑借其高度有序的多尺度微納結(jié)構(gòu)和精巧的界面設(shè)計(jì)，往往表現(xiàn)出超乎尋常的機(jī)械性能，因此，一直都是材料科學(xué)領(lǐng)域研究人員積極探索和模仿的對(duì)象。

  通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察可以發(fā)現(xiàn)，包括魚(yú)鱗、蟹鉗和骨骼等在內(nèi)的許多生物材料均具有由微納米纖維多級(jí)次高度有序排布的螺旋膠合板結(jié)構(gòu)。它們是結(jié)構(gòu)精密的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并且往往具有工程結(jié)構(gòu)材料迫切需要卻難以獲得的優(yōu)異損傷容忍能力。因此，以微納米纖維為結(jié)構(gòu)單元，全面模仿此類多尺度分級(jí)自然結(jié)構(gòu)，將有望制備出可取代現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)材料的高性能新型人工結(jié)構(gòu)材料。然而，由于當(dāng)前缺乏納米材料組裝技術(shù)特別是一維微納米結(jié)構(gòu)單元宏觀有序的組裝手段，模仿制備此類自然纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。目前尚未見(jiàn)報(bào)道有可行的制備策略可以實(shí)現(xiàn)此類仿生結(jié)構(gòu)材料的有效制備。

巨骨舌魚(yú)鱗片微納結(jié)構(gòu)和仿生制備、表征

（a）巨骨舌魚(yú)；（b-d）鱗片微納結(jié)構(gòu)，其中（c）中三種顏色虛線曲線代表纖維層螺旋排布的三個(gè)周期，（d）中黃色虛線曲線代表局部扭曲偏轉(zhuǎn)排布的纖維層；（e-f）仿生自下而上的組裝策略；（g）仿生制備的螺旋膠合板結(jié)構(gòu)人工材料及微結(jié)構(gòu)。

  針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授領(lǐng)導(dǎo)的仿生研究團(tuán)隊(duì)受天然巨骨舌魚(yú)鱗片盔甲的微納尺度螺旋膠合板結(jié)構(gòu)的啟發(fā)（a-d），提出一種自下而上的基于刷涂和層壓相結(jié)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(gòu)筑組分，首次成功制備出具有仿生螺旋膠合板結(jié)構(gòu)的三維體型人工結(jié)構(gòu)材料（g）。相關(guān)研究結(jié)果以“Biomimetic twisted plywood structural materials”為題在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(Natl Sci Rev 2018; doi: 10.1093/nsr/nwy080)。

  仿生螺旋膠合板結(jié)構(gòu)材料在截面方向上的切片（標(biāo)尺為四百微米）。大量切片可視化地揭示了仿生螺旋膠合板結(jié)構(gòu)材料在更大的尺度下實(shí)現(xiàn)了微納米纖維的周期性螺旋排布。

  仿生螺旋膠合板結(jié)構(gòu)材料在裂紋尖端的切片（截面方向）。裂紋尖端的大量切片展示了復(fù)雜扭曲態(tài)的主裂紋以及位于裂尖前端的諸多微小裂紋。這些裂紋相關(guān)的特征被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)材料中重要的增韌機(jī)理。

  研究表明，該工作所構(gòu)筑的人工材料在一定程度上復(fù)制了自然結(jié)構(gòu)材料的多尺度構(gòu)造和韌化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能遠(yuǎn)超其基本構(gòu)筑組分的預(yù)期結(jié)果，并能與天然骨密質(zhì)等諸多自然材料以及其它多種人工結(jié)構(gòu)材料相媲美。更為重要的是，該團(tuán)隊(duì)提出的用于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(kuò)展至其它多種材料體系中，且具有低能耗、可程序化、可擴(kuò)大化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此為設(shè)計(jì)構(gòu)筑更多的先進(jìn)仿生纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料（特別是盔甲防護(hù)材料）提供了新的技術(shù)途徑。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwy080