中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授課題組和倪勇教授課題組在人工珍珠層材料仿生宏量制備方面取得重要進(jìn)展，設(shè)計(jì)并成功發(fā)展了適用于高性能、大尺寸、體型人工珍珠層材料的仿生宏量制備新策略。相關(guān)成果以“Mass production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties”為題于2017年8月18日發(fā)表在《自然-通訊》上（Nat. Commun. 2017, 8, 287），論文的共同第一作者是博士生高懷嶺和陳思銘。
圖1.大尺寸體型人工珍珠層材料的高效仿生制備。(a) 設(shè)計(jì)思路與制備策略；(b) 人工珍珠層材料的數(shù)碼照片；(c) 人工珍珠層材料; (d) 天然珍珠層材料的SEM顯微結(jié)構(gòu)；(e) 高速相機(jī)捕獲的人工珍珠層材料和(f)天然珍珠層材料的沖擊測(cè)試過程。
圖2. (a) SEM圖像顯示了在開口彎曲測(cè)試中，大尺度的裂紋偏轉(zhuǎn)；(b) SEM圖像顯示了裂紋偏轉(zhuǎn)、分叉、以及萌生的多級(jí)裂紋；(c) SEM圖像顯示了接近裂紋末端的裂紋橋；(d) SEM圖像顯示了磷酸鈣微納片的拔出，海藻酸鈉聚合物的橋連、牽引；(e) 非線性有限元模擬人工珍珠層材料的破壞過程。
天然珍珠層材料因其多級(jí)有序的層狀微納“磚-泥”結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出卓越的高強(qiáng)度和高韌性。該獨(dú)特自然結(jié)構(gòu)吸引著研究人員投入大量的精力，以模仿并設(shè)計(jì)制備相應(yīng)的高性能人工結(jié)構(gòu)材料。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，人工珍珠層材料仿生制備領(lǐng)域已取得了重大進(jìn)展，各種制備方法被相繼提出。其中，自下而上的組裝策略，如層層自組裝、蒸發(fā)引誘自組裝、噴涂組裝等，已在二維薄膜型仿珍珠層材料的制備方面表現(xiàn)出簡(jiǎn)便、靈活、高效、可擴(kuò)大化制備的特點(diǎn)，但卻難以實(shí)現(xiàn)可用于力學(xué)承載的三維體型人工珍珠層材料的制備。近年來所發(fā)展的包括冰模板法結(jié)合陶瓷燒結(jié)、磁場(chǎng)誘導(dǎo)組裝、3D打印、原位礦化生長等技術(shù)，雖然在高性能三維體型人工珍珠層材料的仿生設(shè)計(jì)方面獲得重大突破，然而其設(shè)備要求復(fù)雜、成本高、效率低等因素極大限制了材料的進(jìn)一步宏量制備。因此，探索如何優(yōu)質(zhì)高效地制備更接近實(shí)用應(yīng)用的大尺寸體型人工珍珠層材料具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題，在他們提出的介觀尺度“組裝與礦化”相結(jié)合的方法合成塊狀人工貝殼珍珠層材料工作的基礎(chǔ)上（Science 2016, 354, 107-110），提出了一種高效且通用的組裝新策略，通過將溶液蒸發(fā)組裝法構(gòu)筑的仿珍珠層結(jié)構(gòu)二維薄膜進(jìn)一步疊合熱壓，成功實(shí)現(xiàn)了由微納基元到高性能、大尺寸、三維體型仿珍珠層材料的快速宏量構(gòu)筑。他們與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院倪勇教授課題組合作，提出了所制備體型人工珍珠層材料的多級(jí)次增韌機(jī)理。研究人員發(fā)現(xiàn)，基于該方法可以從分子尺度到宏觀尺度的各個(gè)層面對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使所得材料可以成功地復(fù)制天然珍珠層材料的多級(jí)結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)理，并且其力學(xué)性能可與多種自然結(jié)構(gòu)材料和工程材料相媲美。
研究表明，這一多級(jí)組裝新策略具有靈活性、高效性、普適性的特點(diǎn)，可以應(yīng)用到其他多種材料體系中，因此有望在今后進(jìn)行其他三維體型人工珍珠層材料的仿生宏量制備方面獲得廣泛應(yīng)用。該研究成果對(duì)設(shè)計(jì)和制備面向?qū)嶋H應(yīng)用的高性能仿生結(jié)構(gòu)材料具有重要的指導(dǎo)意義。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。
