中科大俞书宏团队Matter一种高性能纳米复合材料

　　几种生物的Bouligand结构，一直是生物生存的力学基础。将其转换为合成类似物可促进结构材料的发展。虽然优良的纳米纤维不断出现，但将它们排列成结构和力学优化的仿生组件仍然具有挑战性。
　　在此，来自中国科学技术大学的俞书宏等研究者提出了不连续Bouligand结构的概念， 开发了一种可编程的纳米纤维组装系统，并最终构建了仿生不连续Bouligand结构纳米复合材料 。相关论文以题为＂Biomimetic discontinuous Bouligand structural design enables high-performance nanocomposites＂发表在Matter上。
　　论文链接：
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522001084
　　Bouligand结构是由单向螺旋堆积的纳米纤维片层组成。这种结构结构广泛存在于天然生物材料中。螳螂虾锤的周期性Bouligand和螺旋带可以促进能量吸收，抑制快速攻击猎物时的裂纹。鱼鳞中胶原片层的Bouligand排列突出了盔甲抵抗食人鱼猛烈攻击的作用。圆筒形Bouligand骨结构赋予骨良好的抗骨折能力。虽然Bouligand存在于不同的种族中，但它通过显著的层间耦合、有效的应力传递和扭曲裂纹扩展表现出不变的力学功能。
　　这些天然纳米复合材料的优异力学性能与纳米纤维块的有序排列密切相关。与自然界相比，工程纤维复合材料，如连续型大纤维增强塑料，无论是在结构层次、精度，甚至在性能上，都没有那么引人注目。珍珠层是力学研究的另一天然模型；不连续的微血小板的交错排列具有拉出和滑移的增韧特性，引起了相当大的关注。总的来说，天然材料最大化了其层次和精度，这是现有工程材料无法达到的，它们激励了高性能纳米复合材料的广泛仿生学研究。
　　在过去，仿生Bouligand和珍珠纳米复合材料的制备取得了相当大的进展。有研究者利用Langmuir-Schaefer策略，构建了受甲虫角质层启发的Bouligand结构的手性光子晶体NiMoO4·xH2O纳米线组件。再如，利用静电纺丝技术将连续的尼龙纳米纤维和聚乙烯醇纳米纤维螺旋排列成抗冲击的Bouligand和结构膜和水凝胶。螺旋自组装和现场辅助3D打印技术，也被开发用于Bouligand结构设计。此外，还发展了多种方法来制造受珍珠启发的层状纳米复合材料。这些研究验证了结构仿生优化材料性能的有效性。然而，自然智慧仍未得到充分利用；将纤维状Bouigand结构和不连续的珍珠状交错结构结合在一起，设计高性能的纳米复合材料，并理解结构协同的力学效应，这在很大程度上还有待开发。虽然不连续Bouligand结构的优点已经在理论上得到了证明，但如何使用优质的纳米纤维构建块来构建这种结构并实现预期的性能优化，仍然是一个挑战。
　　在此，研究者提出了一种可编程的滑动-剪切诱导组装策略，以控制排列离散的纳米纤维构件块，将不连续的交错结构特性引入到Bouligand结构中，实现协同增韧。离散硅基硬硅钙石(CaSi)纳米纤维和天然生物聚合物海藻酸钠(SA)被用作增强材料和基质，部分原因是它们的生态友好性和可访问性。通过在SA溶液中螺旋组装CaSi纳米纤维和溶胶-凝胶-薄膜过渡，研究者制备了宏观仿生不连续Bouligand和结构纳米复合材料。合成的纳米复合材料表现出优异的力学性能，超过了许多天然和仿生的Bouligand和结构材料和工程材料。在机械保护和生物医学应用中，它们是一种很有前途的可持续材料。不连续Bouligand和结构设计的实施和可编程组装策略，将促进从更多的纳米纤维构件创建先进的纳米复合材料。
　　图1 可编程纳米纤维装配系统与仿生不连续Bouligand结构。
　　图2 制备的薄膜的截面微观结构和纳米压痕试验。
　　图3 研究了不同扭曲角度下薄膜的单轴拉伸性能。
　　图4 不同扭曲角度下薄膜单位体积的撕裂相关能量吸收和裂纹扩展。
　　图5 不同扭曲角度的薄膜的刺穿和冲击性能的研究。
　　综上所述，研究者通过可编程组装系统，实现了大规模仿生不连续布里格和结构纳米复合材料的设计和制造。独特的不连续布里格结构使纳米复合材料具有显著的层间耦合能力、高的应力传递效率和弯曲的裂纹扩展，从而具有优异的力学性能。对仿生结构的协同增韧机理进行了实验和理论验证。需要指出的是，这些水性纳米复合材料中适度的水分，会调节纳米纤维与基体的界面氢键结合，促进基于纳米纤维活性的增韧机制的激活。这些由CaSi纳米纤维和SA制备的纳米复合材料，具有机械保护和生物医学应用的潜力。
　　更重要的是，结合可编程、温和、材料独立和可伸缩的组装策略，仿生不连续布里格和结构设计，对改进连续型大纤维增强塑料的工程和开发基于优质纳米纤维块的先进纳米复合材料具有启示意义。（文：水生）
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