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  生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。

  近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組劉增乾博士帶領(lǐng)研究團隊在金屬所“引進優(yōu)秀學者”項目資助下，根據(jù)“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)及賦予其優(yōu)異性能的關(guān)鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設(shè)計原則，進而將其應(yīng)用于人造材料體系，通過仿生設(shè)計實現(xiàn)人造材料的性能優(yōu)化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。

  該研究組在系統(tǒng)闡明天然生物材料梯度設(shè)計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向與再取向?qū)αW性能的優(yōu)化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設(shè)計新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。同時，該研究組首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現(xiàn)綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。通過調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現(xiàn)其剛度、強度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。

圖1 材料通過微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)綜合力學性能的全面同步提升

  此外，針對自然界長期“軍備競賽”形成的主要用作武器的天然生物材料，該研究組闡明了其主要的種類、形式與組織結(jié)構(gòu)特征，從材料科學與力學角度揭示了其同步實現(xiàn)進攻與防護效果的性能優(yōu)化機理，并提煉了共性的仿生材料設(shè)計原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計、與局部應(yīng)力狀態(tài)相匹配的空間梯度設(shè)計、自適應(yīng)與自修復(fù)功能設(shè)計，以及配套與支撐系統(tǒng)設(shè)計等。特別是研究發(fā)現(xiàn)，作為典型的自然武器材料，主要由無機礦物組成的大熊貓牙釉質(zhì)能夠在發(fā)生變形與損傷后在微納米尺度進行顯著的自動回復(fù)，這主要得益于其高密度的富含有機質(zhì)的微觀界面和巧妙的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，即組成牙釉質(zhì)的無機礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規(guī)則排列，而礦物之間的界面以天然有機質(zhì)填充，如圖2所示。牙釉質(zhì)的變形、損傷與自動回復(fù)微觀上都是以界面為媒介實現(xiàn)的，水分子能夠?qū)ψ孕迯?fù)效應(yīng)起到顯著的促進作用，這主要歸因于牙釉質(zhì)界面中的天然有機質(zhì)在水合條件下會發(fā)生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低等轉(zhuǎn)變。

圖2 大熊貓牙釉質(zhì)微納米尺度組織結(jié)構(gòu)及其自修復(fù)效應(yīng)與微觀機制

  上述研究成果能夠為新型高性能人造仿生材料設(shè)計提供有益的啟示和指導(dǎo)。目前，該研究組正致力于利用上述原則設(shè)計研發(fā)新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生復(fù)合義齒材料、高強高導(dǎo)電接觸材料等方面取得了新進展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實際應(yīng)用需求。

  相關(guān)研究成果發(fā)表于Progress in Materials Science 88 (2017) 467-498、Advanced Materials 30 (2018) 1705220、Acta Biomaterialia 44 (2016) 31-40、Acta Biomaterialia 81 (2018) 267-277，以及Acta Biomaterialia (in press, doi: 10.1016/j.actbio.2019.01.010)，并被Materials Today和Advances in Engineering以新聞的形式報道。

  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.01.010

  https://www.materialstoday.com/biomaterials/news/hydration-helps-pandas-teeth-last-a-lifetime-/

  https://advanceseng.com/natures-arms-race-inspire-new-materials/