【儀表網 研發快訊】天然材料中復雜的微納結構間存在力學協同作用，構成的整體結構對生物體適應環境具有重要意義。作為經典模型，墨魚骨具有“剛性空腔-隔板”的整體結構，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，避免災難性破壞。然而，如何調控微納構筑基元的有序排布，實現仿生結構材料中不同微納基本結構的整體同步組裝極具挑戰性。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊報道了一種利用預設異種微納結構的水凝膠進行組裝的新策略，受天然墨魚骨“剛性空腔-隔板”層狀有序結構的啟發(圖1a)，實現了仿墨魚骨結構材料(以下簡稱：RCWSM)的跨尺度一體化構筑。RCWSM具有與天然墨魚骨相似的微納尺度“剛性空腔-隔板”結構，比強度和比能量吸收性能優于傳統吸能材料。相關研究成果于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.仿墨魚骨結構材料(RCWSM)的設計制備、內部微納結構與構筑基元間相互作用。
為了實現RCWSM的構筑，研究人員設計了兩種不同結構的水凝膠：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，鈣離子交聯后形成水凝膠構筑隔板層；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構的水凝膠作為剛性空腔層，并將兩種不同微納結構的水凝膠進行層層交疊組裝(圖1b)。通過外力誘導組裝脫水，被包裹在纖維素納米纖維網絡中的絹云母片發生致密化組裝堆疊，形成具有磚泥結構的隔板層；被包裹在聚乙烯醇/纖維素納米纖維網絡中的空心玻璃微珠致密堆積，同步形成了剛性空腔層，由此實現了“剛性空腔-隔板”結構的制備(圖1c)。在材料內部，構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了緊密結合(圖1d)。
圖2.RCWSM與三明治結構(SSM)材料的失效行為對比，以及RCWSM與其他傳統吸能材料的密度、比強度和比能量吸收對比。
研究結果表明，仿墨魚骨“剛性空腔-隔板”結構具有良好的應力分散效果，隔板層有助于整體結構在受壓狀態下保持良好的穩定性(圖2a,b)。在準靜態壓縮應力下，隔板層能夠分散應力使得剛性空腔層優先發生破碎致密化失效；當大量致密化區產生后，隔板層才會發生斷裂，直至整體結構充分塌陷。因此，RCWSM在受壓過程中產生穩定的非擠出失效，促使預設的空腔結構充分破碎吸收能量，進一步提升材料的力學性能和能量吸收性能(圖2c)。同時，“剛性空腔-隔板”結構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，具有優于其他傳統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。通過預制異種結構水凝膠，實現仿生結構材料的跨尺度一體化組裝，為復雜仿生結構的集成組裝提供了新思路，為研發面向重要領域應用的輕質高強吸能防護材料的設計具有指導意義。
該研究得到了中國科學院戰略性先導研究計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省重大基礎研究計劃、安徽省杰出青年科學基金和新基石研究員等資助。
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