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貝殼內層結構竟成隱身材料關鍵？中國團隊破解珍珠母密碼

文章來源：賢集網更新時間：2025-05-21 15:47:19

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊傳來突破性進展，成功制備出一種結構功能一體化設計的仿珍珠母復合材料。這款復合材料集多項卓越性能于一身，不僅具備獨特的顏色可調性和優異的透波性能，還實現了輕量化、高強度、高韌性及出色的抗沖擊性能，為研發兼具隱身與防護性能的仿生材料開辟了全新路徑，相關研究成果已發表于國際知名期刊《先進材料》。

一、自然啟示：珍珠母結構的材料設計密碼

在自然界的演化歷程中，生物鎧甲的精妙設計始終是人類材料創新的靈感源泉。珍珠母作為軟體動物貝殼的內層結構，以其獨特的 “磚 - 泥” 分層架構（95% 無機碳酸鈣納米片與 5% 有機蛋白質基質），展現出超越單一成分的優異力學性能 —— 其斷裂韌性可達普通碳酸鈣的 300 倍以上，同時具備與環境匹配的色彩偽裝能力。這種 “強韌兼具、功能集成” 的特性，為人工復合材料的設計提供了黃金范本。

中國科學技術大學俞書宏院士團隊的最新研究，正是將這種自然智慧轉化為工程實踐的典型案例。

團隊通過模擬珍珠母的多級微觀結構，開發出仿珍珠母氧化鋁陶瓷基復合材料，不僅實現了輕量化（密度僅為鋼的 1/3）、高強度（抗壓強度達 450MPa）和高韌性（斷裂韌性是商用氧化鋁陶瓷的 3 倍）的協同優化，更創新性地賦予材料可調色彩與高效透波性能，為通信設備防護殼體、隱身材料等領域提供了全新解決方案。

二、結構創新：從 “磚 - 泥” 架構到雙氧化物界面設計

俞書宏團隊提出的 “雙氧化物界面設計策略”，是對珍珠母 “磚 - 泥” 結構的現代化演繹。通過自蒸發組裝技術，團隊將氧化鋁微米片有序堆疊，形成類似珍珠母 “磚塊” 的層狀框架。

隨后利用高溫燒結工藝，在微米片界面生成無定形二氧化硅 “礦物橋”，模擬天然珍珠母的有機基質功能。這種結構設計不僅通過 “磚塊 - 橋接” 機制提升了界面結合強度，更通過調控礦物橋的化學成分，實現了材料顏色從淺灰到深棕的可控調節 —— 其著色原理類似于珍珠母通過微觀結構散射光線產生的虹彩效應。

實驗數據顯示，該仿珍珠母復合材料的抗沖擊能量吸收能力達到商用氧化鋁陶瓷的 4 倍，這得益于其獨特的多級耗能機制：當材料受沖擊時，層狀氧化鋁微米片首先通過滑移耗散能量，隨后礦物橋的彈性變形進一步吸收沖擊能，最終通過微米片的漸進式斷裂實現能量的逐層釋放。這種 “分級抵抗” 模式，與珍珠母通過納米片層錯動、有機質拉伸實現抗斷裂的機制異曲同工。

在透波性能方面，團隊通過優化層狀陶瓷框架與低介電常數聚合物的復合結構，構建了微米級透波通道。單晶氧化鋁微米片的光軸垂直取向，配合無定形二氧化硅的低介電特性，使材料在 3-18GHz 頻段的電磁波透過率超過 90%，顯著優于傳統金屬基屏蔽材料。這種 “力學 - 功能” 的協同設計，打破了傳統防護材料 “重防護則弱功能” 的困局。

三、二維碳基納米復合材料（TDCNs）：珍珠母啟發的新一代高性能材料

除了陶瓷基復合材料，受珍珠母啟發的二維碳基納米復合材料（TDCNs）正成為研究熱點。以石墨烯、MXene 等二維碳材料為 “磚塊”，通過界面橋接策略構建的 TDCNs，其力學性能已媲美甚至超越傳統碳纖維復合材料。例如，石墨烯 / 聚合物基 TDCNs 的抗拉強度可達 1200MPa，是同體積碳纖維復合材料的 1.5 倍，而密度僅為其 80%。

空隙缺陷是制約 TDCNs 性能的核心問題。研究表明，傳統制備工藝中二維材料堆疊時產生的納米級空隙，會導致應力集中并降低導電性。通過納米 CT 和聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB/SEM）等表征技術，研究人員揭示了空隙形成的動力學機制，并開發出三種針對性策略：

界面橋接：引入氫鍵、離子鍵或 π-π 作用增強二維材料間的化學結合，如通過多巴胺改性石墨烯表面，使其與聚合物基質形成共價鍵網絡；

協同增韌：混合不同尺寸的二維材料（如石墨烯納米片與碳納米管），通過 “填料級配” 效應填充空隙；

受限組裝：利用電場或磁場引導二維材料定向排列，在納米尺度上實現密堆積。

這些策略可將 TDCNs 的空隙率從傳統工藝的 15%-20% 降低至 5% 以下，使材料的導電率提升 3-5 倍，同時斷裂伸長率提高 40%。

TDCNs 的制備工藝具有顯著的環保優勢。真空輔助過濾、刮刀涂布等方法無需高溫高壓，能耗僅為傳統碳纖維復合材料制備工藝的 1/3。這種特性使其在柔性電子器件（如可穿戴傳感器）、電磁屏蔽（如 5G 基站防護材料）、骨組織工程（如仿生骨板）等領域展現出廣闊前景。例如，MXene 基 TDCNs 因其高導電性和生物相容性，已被用于開發可實時監測骨愈合進程的智能植入物。

四、未來展望：跨越鴻溝，邁向仿生材料新紀元

仿生珍珠母復合材料的發展依賴多學科融合，分子動力學模擬與深度學習算法助力材料設計優化。但產業化面臨雙重挑戰：二維碳材料制備成本高、陶瓷基加工復雜，亟需創新生產技術與資源利用方式；同時缺乏統一標準，構建力學、功能與環境適應性多維評價體系迫在眉睫。

未來研究聚焦三大方向：開發自修復、自適應的動態響應材料；推廣甲殼素等可降解的全生命周期綠色材料；探索宏觀力學與納米功能集成的跨尺度結構設計。

從仿生靈感汲取到材料創新，人類正以“師法自然”的理念推動技術變革。俞書宏團隊的突破標志著材料科學從“試錯”邁向“精準仿生”。隨著技術融合與產業化推進，仿生材料有望革新多領域應用，開啟“結構精密、功能多元、制備綠色”的材料新時代。正如《先進材料》審稿人所言，與自然協作是材料創新的無限可能。

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來源：賢集網
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