金屬所天然生物與仿生結(jié)構(gòu)材料研究取得系列進展

　  近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部“葛庭燧獎研金”獲得者劉增乾帶領的研究小組在天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)與力學行為研究方面取得了系列新進展，在沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室開辟了天然生物與仿生結(jié)構(gòu)材料研究的新方向。該研究旨在探索各種天然與人造材料體系變形、斷裂以及強韌化之間的本征機制與聯(lián)系，加深對材料力學行為的理解，進而從仿生角度實現(xiàn)人造材料的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能改進。相關成果發(fā)表于Biomaterials 65 (2015) 13-21、Acta Biomaterialia 17 (2015) 137-151及Scientific Reports (in press)。

　　天然生物材料是由生物體在相對溫和的生長條件下采用簡單的礦物與有機質(zhì)等原材料以自下而上的自組裝方式合成的。經(jīng)過長期選擇與進化，天然生物材料往往具有復雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的綜合性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自修復以及對外界條件的自響應，從而利用最少的材料達到對生存環(huán)境的最佳適應。天然生物與仿生材料研究不僅有助于揭示自然界的奧秘，加深人們對自然的認識與理解，而且能夠為人造材料的優(yōu)化設計與制備提供有益的啟示和指導，進而從仿生角度促進人造材料的發(fā)展和應用，因而具有重要的科學與實際意義。

　　自2013年6月加入沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室以來，劉增乾與博士研究生焦大等在天然生物與仿生結(jié)構(gòu)材料方面開展了大量探索研究。前期工作主要包括：1）考察了貝殼、羽毛、牙齒等典型天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)與力學性能，揭示了材料的多層次跨尺度復合結(jié)構(gòu)特點，首次系統(tǒng)闡明了天然生物材料本征具有的納米孿晶、位錯、層錯、晶體取向差等多重結(jié)構(gòu)缺陷，并揭示了其對力學性能的影響，糾正了主要基于有序性和規(guī)律性的傳統(tǒng)天然生物材料結(jié)構(gòu)描述方法；2）考察了典型天然生物材料在不同條件和應力狀態(tài)下的變形與斷裂行為，揭示了變形、斷裂機制及其與組織結(jié)構(gòu)的關系，闡明了結(jié)構(gòu)各向異性、水合狀態(tài)等對力學行為的影響及其機理，提出了不同斷裂模式相互競爭轉(zhuǎn)化的力學準則，揭示了泡沫與泡沫填充、平面片層、同心球片層、交叉疊片等天然復合結(jié)構(gòu)的強韌化機理，進而提煉出了天然與人造材料組織結(jié)構(gòu)與力學性能優(yōu)化的共性原則機理；3）揭示了孔雀羽毛、穿山甲鱗片等天然高分子材料在水合作用下的形狀記憶效應以及由此引起的自修復效應，考察了形狀回復與自修復的動力學過程以及相應的材料組織結(jié)構(gòu)與力學性能變化，基于非平衡熱力學漲落理論提出了定量描述形狀回復與自修復過程的動力學模型，從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)闡釋了水合的影響及其微觀機理，為從仿生角度設計人造形狀記憶與自修復材料提供了指導。

　　以上研究工作的開展有利于拓寬金屬所和國家實驗室的研究方向，并為傳統(tǒng)材料的研究提供新思路、注入新活力。相關研究得到了中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室“葛庭燧獎研金”和中國博士后科學基金（2014M561263）的資助。

圖1：紫石房蛤貝殼的多層次跨尺度組織結(jié)構(gòu)以及本征具有的納米孿晶結(jié)構(gòu)

圖2：孔雀羽毛及其組成部分在水合作用下的形狀記憶效應

圖3：孔雀尾部覆羽羽軸在干、濕狀態(tài)下的壓縮應力-應變曲線以及形狀回復的動力學過程