我国科学家研制“龙虾壳”新型仿生材料 为研制高性能结构材料提供新组装方法

6日，记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队首次提出了非连续布利冈(Bouligand)结构的设想，并发展了一种程序化组装纳米纤维的方法，成功地创制出一种新型的轻质高强仿生非连续布利冈结构纳米复合材料，实现了非连续纤维桥连和布利冈构造诱导裂纹偏转的协同增韧。该成果为研制高性能结构材料提供了新的组装方法。相关论文日前发表在国际期刊《物质》上。

布利冈结构由单向纳米纤维片层螺旋堆叠构成，在骨、鱼鳞、龙虾壳等多种生物材料中广泛存在，是一种典型的纤维增强结构，直接决定这些生物材料的卓越力学性能。然而，蕴藏在自然布利冈结构中的智慧仍未得到充分开发和运用，已实现的仿生布利冈结构与自然布利冈结构相比，无论在结构层级还是结构精度方面都相差甚远。

研究人员基于所开发的有序组装纳米纤维基元的程序化装置，以环境友好的硬硅钙石纳米纤维和海藻酸钠为原料，通过螺旋组装硬硅钙石纳米纤维于海藻酸钠基体中，并结合溶胶—凝胶—薄膜转变过程，成功制备了非连续布利冈结构纳米复合材料。实验表明，该材料展现了卓越的力学性能，优于许多如鱼鳞片、层状骨、蟹螯等天然布利冈结构材料以及仿生布利冈结构类似物和部分工程纤维复合材料。进一步通过断口微结构分析与理论模拟发现，该材料表现出裂纹偏转和纤维桥连增韧机制。

这种仿生纳米复合材料具有广泛的应用前景，可作为高损伤容忍性能的骨修复材料等，对于今后开发新型纳米纤维复合材料、提升传统纤维增强复合材料的性能具有重要的指导意义。