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中国科大实现高性能大尺寸体型人工珍珠层仿生材料的宏量制备

( 2017-09-07 )
 
  我院俞书宏教授课题组和倪勇教授课题组在人工珍珠层材料仿生宏量制备方面取得重要进展,设计并成功发展了适用于高性能、大尺寸、体型人工珍珠层材料的仿生宏量制备新策略。相关成果以“Mass-production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties”为题于2017年8月18日发表于《自然-通讯》上(Nat. Commun. 2017, 8, 287),论文的共同第一作者是博士生高怀岭和陈思铭。
 

图1. 大尺寸体型人工珍珠层材料的高效仿生制备。(a) 设计思路与制备策略;(b) 人工珍珠层材料的数码照片;(c) 人工珍珠层材料; (d) 天然珍珠层材料的SEM显微结构;(e) 高速相机捕获的人工珍珠层材料和(f)天然珍珠层材料的冲击测试过程。

图2. (a) SEM图像显示了在开口弯曲测试中,大尺度的裂纹偏转;(b) SEM图像显示了裂纹偏转、分叉、以及萌生的多级裂纹;(c) SEM图像显示了接近裂纹末端的裂纹桥;(d) SEM图像显示了磷酸钙微纳片的拔出,海藻酸钠聚合物的桥连、牵引;(e) 非线性有限元模拟人工珍珠层材料的破坏过程。
  
  天然珍珠层材料因其多级有序的层状微纳“砖-泥”结构而表现出卓越的高强度和高韧性。该独特自然结构激励着研究人员投入大量的精力,旨在模仿并设计制备相应的高性能人工结构材料。经过近几十年的发展,人工珍珠层材料仿生制备领域已取得了重大进展,各种制备方法被相继提出。其中,自下而上的组装策略,如层层自组装、蒸发引诱自组装、喷涂组装等,已在二维薄膜型仿珍珠层材料的制备方面表现出简便、灵活、高效、可扩大化制备的特点,但却难以实现可用于力学承载的三维体型人工珍珠层材料的制备。近年来所发展的包括冰模板法结合陶瓷烧结、磁场诱导组装、3D打印、原位矿化生长等技术,虽然在高性能三维体型人工珍珠层材料的仿生设计方面获得重大突破,然而其设备要求复杂、成本高、效率低等因素大大限制了最终材料的进一步宏量制备。因此,探索如何优质高效地制备更接近实用应用的大尺寸体型人工珍珠层材料将具有重要的科学意义和应用价值。 
  俞书宏教授领导的团队针对当前的这一难题,在他们提出的介观尺度“组装与矿化”相结合的方法合成块状人工贝壳珍珠层材料工作的基础上(Science 2016, 354, 107-110),提出了一种高效且通用的组装新策略,通过将溶液蒸发组装法构筑的仿珍珠层结构二维薄膜进一步叠合热压,成功实现了由微纳基元到高性能、大尺寸、三维体型仿珍珠层材料的快速宏量构筑。与中国科学技术大学工程科学学院倪勇教授课题组合作,提出了所制备体型人工珍珠层材料的多级次增韧机理。研究人员发现,基于该方法可以从分子尺度到宏观尺度的各个层面对材料结构进行优化,从而使所得材料可以成功地复制天然珍珠层材料的多级结构和增韧机理,并且其力学性能可与多种自然结构材料和工程材料相媲美。 
  研究表明,这一多级组装新策略具有灵活性、高效性、普适性,可以应用到其他多种材料体系中,因此,有望在今后进行其他三维体型人工珍珠层材料的仿生宏量制备方面获得广泛应用。该研究成果对设计和制备面向实际应用的高性能仿生结构材料具有重要的指导意义。  
  该工作得到了得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、苏州纳米科技协同创新中心、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。

  论文链接: http://www.nature.com/articles/s41467-017-00392-z


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