中科大科学家根据巨骨舌鱼鳞片结构研究出新型仿生微/纳米纤维增强复合材料-复合材料网

鱼鳞的微/纳米结构及仿生制备与表征(a)巨骨舌鱼;(b-d)鱼鳞的微/纳米结构,三个彩色虚线代表三个周期排列的纤维层;(e-f)仿生自下而上制备方案;(g)仿生扭曲胶合板结构材料和微观结构。图片来源:中国科学出版社

在几亿年的进化过程中,神奇的自然创造了无数的生物材料,这些材料既可以作为生物体的骨架,也可以作为防御或攻击性武器。虽然这些天然的结构材料由一些相对无菌的成分构成(如脆性矿物和韧性生物聚合物),但由于其高度有序的层次结构和复杂的界面设计,它们往往表现出非凡的机械性能。因此,它们一直是科研人员主要的研究和模拟对象,目的是为了创造出先进的人工结构材料。

通过显微结构观察,研究人员发现了鱼鳞、蟹爪、蟹骨等多种生物材料均具有典型的扭曲胶合板结构,这些结构是由微/纳米纤维片高度有序排列所构成。而且它们还是结构复杂的天然纤维增强复合材料,通常表现出优异的损伤容限,这种特性是当前工程结构材料所急但难以获得的。因此,充分利用人工合成的一维微/纳米尺度纤维作为基础,并通过模仿这种自然的层次结构和界面设计,便能有望生产出性能优良并远超当前工程结构材料的新型人工结构材料。然而,由于微/纳米集成技术的不完善,特别是缺乏有效地将一维微/纳米结构单元集成到宏观块状形式中的方法。模拟天然纤维增强复合材料一直是一个重大挑战,并且到目前为止很少有相关的报道。

为了解决这个问题,最近,中国科学技术大学(USTC),俞书宏教授带领的仿生研究团队首次提出了一个以生物相容性微/纳米纤维为结构单元,并可以高效地自底向上进行“刷层”和“层压”集成的方法(e-f),从而成功地制造了三维体仿生扭曲胶合板结构材料(g)。

这项研究灵感来源于自然界巨骨舌鱼的超强的鳞片,这种鳞片组成是一种纳米级扭曲胶合板结构。通过分级控制生物聚合物基体中的纤维取向,可以精确地调节合成材料的机械性能。结果表明,所制备的人工材料高度还原了天然材料的多尺度结构和增韧机理,实现了远超过基本结构组分的优异力学性能,可以与生物骨骼和其他多种自然或人工材料相媲美。更重要的是,使用这种方法制备的材料是生态友好的、可编程的和可扩展的,并且可以轻易地扩展到其他材料系统。因此,这种技术为设计更先进的仿生纤维增强结构材料(尤其是铠装防护材料)提供了新的技术发展空间。