近日，華南理工大學(xué)鐘林新教授、彭新文教授課題組報(bào)道了一種具有高密度交聯(lián)界面的仿生納米復(fù)合材料，有機(jī)-無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)從納米到宏觀(guān)的高度集成，有效解決了有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料中存在的相分離和界面缺陷問(wèn)題，從而顯著提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。該研究成果以“Ultra-strong and transparent biomimetic nanocomposite through orientation effects and in-situ biomineralization”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》。該論文的第一作者是華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院博士生趙軒。

在這項(xiàng)工作中，研究人員結(jié)合取向效應(yīng)和原位生物礦化作用，精確地設(shè)計(jì)了每個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建了一種超強(qiáng)、透明的仿生納米復(fù)合材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，該納米復(fù)合材料顯示出超高的拉伸性能和各向異性的光學(xué)特性。該工作有望為高性能生物礦化材料的設(shè)計(jì)提供從結(jié)構(gòu)耦合到精確控制界面、微觀(guān)結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識(shí)與新途徑。

圖1納米復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

通過(guò)細(xì)菌纖維素（BC）納米纖維的長(zhǎng)程取向效應(yīng)引導(dǎo)無(wú)定形磷酸鈣離子低聚物（CPO）中間相在納米纖維之間的高度融合，顯著消除了各種缺陷，促進(jìn)了多尺度界面結(jié)合，增加了有機(jī)基質(zhì)的結(jié)晶尺寸。隨后，通過(guò)熱處理原位誘導(dǎo)亞穩(wěn)態(tài)CPO向羥基磷灰石（HAP）晶體礦化，將有機(jī)-無(wú)機(jī)界面牢固地融合在一起，形成了連續(xù)均勻的高度整體結(jié)構(gòu)。納米復(fù)合膜顯示出各向異性特征，BC納米纖維的取向因子高達(dá)0.82，證明了其在納米復(fù)合膜中高度有序排列。

圖2納米復(fù)合膜有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的形成和表征

圖3取向效應(yīng)促進(jìn)大尺寸纖維素晶體的形成和排列

為了研究有機(jī)-無(wú)機(jī)相的有效耦合和有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)對(duì)納米復(fù)合膜力學(xué)性能的影響，借助有限元模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)納米復(fù)合膜的斷裂機(jī)制進(jìn)行了深入分析。密集堆疊的有序結(jié)構(gòu)抑制了裂紋的橫向生長(zhǎng)，使裂紋偏轉(zhuǎn)到薄膜的縱向。裂紋在這些堆疊層的界面處沿復(fù)雜路徑傳播，導(dǎo)致鋸齒形裂紋偏轉(zhuǎn)、分支和長(zhǎng)程裂紋擴(kuò)展，耗散了大量的能量，大大提高了納米復(fù)合膜的強(qiáng)度和韌性。此外，HAP結(jié)晶的形成和纖維素晶體尺寸的增加導(dǎo)致了長(zhǎng)程應(yīng)力傳遞，從而增強(qiáng)了納米復(fù)合膜的力學(xué)性能。納米復(fù)合膜具有超高的強(qiáng)度，拉伸應(yīng)力達(dá)1168.1 ±10.2 MPa，韌性高達(dá)34.1 ±?0.8 MJ m?3，超越了目前其他已報(bào)道的仿生礦化材料。

圖4?納米復(fù)合膜的拉伸性能和斷裂失效機(jī)制

該工作還展示了這種超強(qiáng)、高透明的各向異性納米復(fù)合薄膜在光學(xué)、傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

圖5納米復(fù)合膜在光學(xué)和濕度傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

圖6粗纖維的力學(xué)性能、編織性能和生物相容性，顯示了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力

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