中科大俞书宏院士团队 Nat. Commun.: 一种仿墨鱼骨结构材料的跨尺度制备新策略

文摘 2025-01-10 12:04 北京

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天然材料中复杂的微纳结构间存在力学协同作用，构成的整体结构对生物体适应环境具有重要意义。作为经典模型，墨鱼骨具有“刚性空腔-隔板”的整体结构，能够承受来自深海的巨大水压。在外部载荷作用下，隔板可以分散应力，刚性空腔可以通过充分破碎吸能，显著提高材料的损伤容限和能量吸收性能，避免灾难性破坏。然而，如何调控微纳构筑基元的有序排布，实现仿生结构材料中不同微纳基本结构的整体同步组装极具挑战性。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了一种利用预设异种微纳结构的水凝胶进行组装的新策略，受天然墨鱼骨“刚性空腔-隔板”层状有序结构的启发（图1a），实现了仿墨鱼骨结构材料（以下简称：RCWSM）的跨尺度一体化构筑。RCWSM具有与天然墨鱼骨相似的微纳尺度“刚性空腔-隔板”结构，比强度和比能量吸收性能优于传统吸能材料。

2025年1月2日, 相关研究成果以“Multiscale integral synchronous assembly of cuttlebone-inspired structural materials by predesigned hydrogels”为题发表在Nature Communications上。中国科大博士后杨怀斌、博士生路怡星、岳鑫为共同第一作者，管庆方副研究员和俞书宏院士为通讯作者。

图1. 仿墨鱼骨结构材料（RCWSM）的设计制备、内部微纳结构与构筑基元间相互作用。

为了实现RCWSM的构筑，研究人员设计了两种不同结构的水凝胶：采用表面氨基化的绢云母微米片与羧基化纤维素纳米纤维，钙离子交联后形成水凝胶构筑隔板层；选用空心玻璃微球和聚乙烯醇、季铵化纤维素纳米纤维原位组装，形成具有刚性空腔结构的水凝胶作为刚性空腔层，并将两种不同微纳结构的水凝胶进行层层交叠组装（图1b）。通过外力诱导组装脱水，被包裹在纤维素纳米纤维网络中的绢云母片发生致密化组装堆叠，形成具有砖泥结构的隔板层；被包裹在聚乙烯醇/纤维素纳米纤维网络中的空心玻璃微珠致密堆积，同步形成了刚性空腔层，由此实现了“刚性空腔-隔板”结构的制备（图1c）。在材料内部，构筑基元之间通过氢键、表面共价作用和电荷相互作用等多重相互作用实现了紧密结合（图1d）。

图2. RCWSM与三明治结构（SSM）材料的失效行为对比，以及RCWSM与其他传统吸能材料的密度、比强度和比能量吸收对比。

研究结果表明，仿墨鱼骨“刚性空腔-隔板”结构具有良好的应力分散效果，隔板层有助于整体结构在受压状态下保持良好的稳定性（图2a,b）。在准静态压缩应力下，隔板层能够分散应力使得刚性空腔层优先发生破碎致密化失效；当大量致密化区产生后，隔板层才会发生断裂，直至整体结构充分塌陷。因此，RCWSM在受压过程中产生稳定的非挤出失效，促使预设的空腔结构充分破碎吸收能量，进一步提升材料的力学性能和能量吸收性能（图2c）。同时，“刚性空腔-隔板”结构还具有抗裂纹扩展效果，能有效避免材料突然失效（图2d,e）。RCWSM的上述失效行为与天然墨鱼骨类似，具有优于其他传统吸能材料的比强度和比能量吸收（图2f,g），并且能够在高速冲击下吸收能量。通过预制异种结构水凝胶，实现仿生结构材料的跨尺度一体化组装，为复杂仿生结构的集成组装提供了新思路，为研发面向重要领域应用的轻质高强吸能防护材料的设计具有指导意义。

该研究得到了中国科学院战略性先导研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省重大基础研究计划、安徽省杰出青年科学基金和新基石研究员等资助。

作者简介

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杨怀斌，男，中共党员，山东曲阜人，2018年9月至2023年6月期间在中国科学技术大学攻读硕士/博士学位，师从俞书宏教授。现为中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后研究员，合作导师俞书宏教授。主要从事新型高性能纤维素基仿生结构材料的研究，近五年以第一作者/共同第一作者在Nat. Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Natl. Sci. Rev., Nano Lett.等期刊发表论文15篇，授权专利28项。主持国自然青年科学基金项目、中国博士后基金面上项目（76批），入选2024年度国家资助博士后研究人员计划和化学国家高层次人才培养中心博士后支持专项。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55344-1

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