天然生物與仿生梯度材料研究獲進(jìn)展

　　自然界中的生物體在長(zhǎng)期的自然選擇與進(jìn)化過程中，其組成材料的組織結(jié)構(gòu)與性能得到了持續(xù)優(yōu)化與提高，從而利用簡(jiǎn)單的礦物與有機(jī)質(zhì)等原材料很好地滿足了復(fù)雜的力學(xué)與功能需求，使得生物體達(dá)到了對(duì)其生存環(huán)境的最佳適應(yīng)。大自然是人類的良師。天然生物材料的優(yōu)異特性能夠?yàn)槿嗽觳牧系膬?yōu)化設(shè)計(jì)，特別是高性能仿生材料的發(fā)展提供有益的啟示。其中，功能梯度設(shè)計(jì)是生物材料普遍采用的基本性能優(yōu)化策略之一。揭示自然界中的梯度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與相應(yīng)的性能優(yōu)化機(jī)理對(duì)于指導(dǎo)高性能仿生梯度材料設(shè)計(jì)并促進(jìn)其應(yīng)用具有重要意義。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部張哲峰課題組的劉增乾與加州大學(xué)伯克利分校教授Robert O. Ritchie及加州大學(xué)圣地亞哥分校教授Marc A. Meyers合作，揭示了生物組織與材料中廣泛存在的梯度結(jié)構(gòu)取向特征，并提煉出了一種提高材料接觸損傷抗力的仿生設(shè)計(jì)新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向獲得梯度變化的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高整體的力學(xué)性能，如圖1所示。通過力學(xué)分析與數(shù)值模擬，他們建立了結(jié)構(gòu)取向與各力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，闡明了材料損傷抗力提高的機(jī)理，并指出了相應(yīng)仿生梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

　　在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步總結(jié)了自然界中常見的基本功能梯度材料設(shè)計(jì)形式與原則，并以典型的生物材料為例，按照組成與成分、組織結(jié)構(gòu)（包括結(jié)構(gòu)單元的排列方式、空間分布、尺度和取向）、界面以及不同類型梯度在多級(jí)結(jié)構(gòu)尺度的結(jié)合與匹配的思路對(duì)生物材料中的梯度進(jìn)行了具體表述與分析，歸納了梯度設(shè)計(jì)在材料性能優(yōu)化中所起的作用和相應(yīng)機(jī)制，如圖2所示。同時(shí)，他們總結(jié)了近年來仿生梯度材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面取得的最新進(jìn)展，特別是對(duì)3D打印等新型材料制備技術(shù)在仿生梯度材料領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了討論，并指出了未來天然生物與仿生梯度材料研究亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題以及面臨的挑戰(zhàn)。

　　該研究得到金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”和美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室Multidisciplinary University Research Initiative項(xiàng)目資助。相關(guān)成果于近期發(fā)表于Acta Biomaterialia 44 (2016) 31-40和Progress in Materials Science (doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.013)。

圖1. 天然生物材料通過梯度結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)局域力學(xué)性能的優(yōu)化分布與匹配，從而提高了材料的接觸損傷抗力

圖2. 功能梯度材料中局域性能與位置的關(guān)系以及天然生物材料中的基本功能梯度設(shè)計(jì)形式與原則