科学家构筑仿生布利冈结构材料
4月15日,记者从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏院士领导的仿生材料研究团队,开展了仿生布利冈结构多级次可重构纤维基元界面设计的系统性研究,提出"仿生适度有序布利冈结构"的概念,分级构筑了具有动态可重构纤维界面的仿生布利冈结构材料。相关研究成果日前发表在《科学进展》上。
作为生物结构的代表,布利冈结构在鱼鳞片、龙虾腹膜、动物骨骼等中广泛存在。独特的纤维多级结构和稳健的纤维界面作用,可赋予鱼鳞片、龙虾腹膜等卓越的力学性能,引起研究人员的广泛关注。然而,现有研究主要聚焦在建立纤维基元组装策略和实现不同纤维基元的组装上,在调控纤维基元界面的作用以提升仿生布利冈结构应力传递效率和力学功能方面,仍然有所欠缺。
据悉,研究人员进行了基于不同取向角度纤维模型的大规模分子动力学模拟。结果表明,通过引入空间取向角度产生的贯穿连锁结构,可以优化氢键网络的维度。三维氢键网络的空间桥接效应不仅增强了纤维体系的荷载传递能力和抗破坏能力的稳定性,而且通过在塑性变形阶段引入更多的氢键断裂—重构行为,可以促进能量耗散。这种相互对立的影响机制说明适度有序的纤维排列方式,可以获得最佳的纤维界面作用,从而优化材料体系的力学性能。
研究人员利用扫描电子显微镜表征单轴牵伸后的细菌纤维素纳米纤维膜层结构,发现了纳米纤维基元的半有序排列及桥接互锁行为。这些实验表征证实了纳米纤维基元的网络互联特性,其衍生的纳米纤维桥接互锁和三维氢键网络界面在促进基元微运动、广泛应力传递和能量耗散方面具有优势。
此外,研究人员结合螺旋堆叠和热压致密化,制备出具有多尺度各向同性的仿生适度有序布利冈结构材料,所构筑的细菌纤维素基仿生半有序布利冈结构材料,展现了突出的综合力学性能和稳定性。
(记者吴长锋)
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