【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】天然材料中復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)間存在力學(xué)協(xié)同作用，構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)對生物體適應(yīng)環(huán)境具有重要意義。作為經(jīng)典模型，墨魚骨具有“剛性空腔-隔板”的整體結(jié)構(gòu)，能夠承受來自深海的巨大水壓。在外部載荷作用下，隔板可以分散應(yīng)力，剛性空腔可以通過充分破碎吸能，顯著提高材料的損傷容限和能量吸收性能，避免災(zāi)難性破壞。然而，如何調(diào)控微納構(gòu)筑基元的有序排布，實現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)材料中不同微納基本結(jié)構(gòu)的整體同步組裝極具挑戰(zhàn)性。
 

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊報道了一種利用預(yù)設(shè)異種微納結(jié)構(gòu)的水凝膠進行組裝的新策略，受天然墨魚骨“剛性空腔-隔板”層狀有序結(jié)構(gòu)的啟發(fā)(圖1a)，實現(xiàn)了仿墨魚骨結(jié)構(gòu)材料(以下簡稱：RCWSM)的跨尺度一體化構(gòu)筑。RCWSM具有與天然墨魚骨相似的微納尺度“剛性空腔-隔板”結(jié)構(gòu)，比強度和比能量吸收性能優(yōu)于傳統(tǒng)吸能材料。相關(guān)研究成果于2025年1月2日以“Multiscale integral synchronous assembly of cuttlebone-inspired structural materials by predesigned hydrogels”為題發(fā)表在Nature Communications雜志上(Nat. Commun.2025,16, 62)，中國科大博士后楊懷斌，博士生路怡星、岳鑫為共同第一作者，合肥微尺度物質(zhì)國家研究中心管慶方副研究員和俞書宏院士為通訊作者。
 

　　圖1.仿墨魚骨結(jié)構(gòu)材料(RCWSM)的設(shè)計制備、內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)與構(gòu)筑基元間相互作用。
 

　　為了實現(xiàn)RCWSM的構(gòu)筑，研究人員設(shè)計了兩種不同結(jié)構(gòu)的水凝膠：采用表面氨基化的絹云母微米片與羧基化纖維素納米纖維，鈣離子交聯(lián)后形成水凝膠構(gòu)筑隔板層；選用空心玻璃微球和聚乙烯醇、季銨化纖維素納米纖維原位組裝，形成具有剛性空腔結(jié)構(gòu)的水凝膠作為剛性空腔層，并將兩種不同微納結(jié)構(gòu)的水凝膠進行層層交疊組裝(圖1b)。通過外力誘導(dǎo)組裝脫水，被包裹在纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)中的絹云母片發(fā)生致密化組裝堆疊，形成具有磚泥結(jié)構(gòu)的隔板層；被包裹在聚乙烯醇/纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)中的空心玻璃微珠致密堆積，同步形成了剛性空腔層，由此實現(xiàn)了“剛性空腔-隔板”結(jié)構(gòu)的制備(圖1c)。在材料內(nèi)部，構(gòu)筑基元之間通過氫鍵、表面共價作用和電荷相互作用等多重相互作用實現(xiàn)了緊密結(jié)合(圖1d)。
 

　　圖2.RCWSM與三明治結(jié)構(gòu)(SSM)材料的失效行為對比，以及RCWSM與其他傳統(tǒng)吸能材料的密度、比強度和比能量吸收對比。

 

　　研究結(jié)果表明，仿墨魚骨“剛性空腔-隔板”結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)力分散效果，隔板層有助于整體結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)下保持良好的穩(wěn)定性(圖2a,b)。在準靜態(tài)壓縮應(yīng)力下，隔板層能夠分散應(yīng)力使得剛性空腔層優(yōu)先發(fā)生破碎致密化失效；當(dāng)大量致密化區(qū)產(chǎn)生后，隔板層才會發(fā)生斷裂，直至整體結(jié)構(gòu)充分塌陷。因此，RCWSM在受壓過程中產(chǎn)生穩(wěn)定的非擠出失效，促使預(yù)設(shè)的空腔結(jié)構(gòu)充分破碎吸收能量，進一步提升材料的力學(xué)性能和能量吸收性能(圖2c)。同時，“剛性空腔-隔板”結(jié)構(gòu)還具有抗裂紋擴展效果，能有效避免材料突然失效(圖2d,e)。RCWSM的上述失效行為與天然墨魚骨類似，具有優(yōu)于其他傳統(tǒng)吸能材料的比強度和比能量吸收(圖2f,g)，并且能夠在高速沖擊下吸收能量。通過預(yù)制異種結(jié)構(gòu)水凝膠，實現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)材料的跨尺度一體化組裝，為復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)的集成組裝提供了新思路，為研發(fā)面向重要領(lǐng)域應(yīng)用的輕質(zhì)高強吸能防護材料的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。
 

　　該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省重大基礎(chǔ)研究計劃、安徽省杰出青年科學(xué)基金和新基石研究員等資助。