纳米复合材料增韧通常会引入粘弹性有机相，但这往往会降低材料刚度。
在此，北京航空航天大学刘明杰教授等人报道了成熟褶纹冠蚌珍珠层中的一种高模量增韧机制，该珍珠层由文石纳米棒与片层内生物分子微晶交替复合，形成晶态有机-无机框架结构。受临界滑移长度效应调控，这些晶态单元的模量与强度接近理论极限。纳米限域下的生物分子微晶在层间界面起到纳米销钉的作用，缓解应力集中，实现跨尺度协同变形，从而赋予材料优异的断裂韧性。受该机制启发，利用再生文石片制备的人工仿珍珠层同时兼具高刚度与抗裂性能，上述认识为研发稳定可靠的高性能结构材料提供了一条极具前景的思路。
相关文章以“Hierarchical crystalline organic-inorganic framework enabling high-modulus toughening in nacre”为题发表在Science上！
研究内容
珍珠层因其优异的强度、刚度与韧性，长期以来备受研究者关注。人类对其纳米结构的认识已有六十余年，无机微晶整齐交错的排布方式被认为是其具备卓越力学性能的核心原因。该结构理念已成为仿珍珠层材料设计的重要指导。研究者已开发出层层沉积、浇铸成型与冰模板法等制备策略，用于组装取向无机微晶，构筑高强高韧纳米复合材料。从理论上证明，当无机微晶处于临界特征长度时，其强度与模量可接近理论极限。同时，有机相通常被视作均质粘结相，作为可发生塑性变形、耗散能量的基体。然而这类软质相会阻碍无机微晶之间的载荷传递，带来固有的性能权衡：提升韧性往往要牺牲刚度，这也是承载类结构材料面临的关键瓶颈。近期研究表明，纳米限域聚合物微晶能够在不降低材料刚度的前提下提升韧性。
本文探究天然珍珠层中是否存在类似的生物分子结晶现象，若存在，则进一步研究其对珍珠层增韧机制的贡献，报道褶纹冠蚌成熟珍珠层中一种由晶态有机-无机框架（COIF）主导的高模量增韧机制。该框架保留经典的“砖-泥”结构，同时在片层内部构建多级结构，尺寸为29±3.9 nm的文石纳米棒垂直于片层平面取向，纳米棒之间存在4.9±0.4 nm的间隙，间隙内填充片层内生物分子微晶。借助临界滑移长度效应，这些晶态单元的模量与强度接近理论极限。纳米限域的生物分子微晶在层间界面充当纳米销钉，缓解应力集中，实现多尺度协同变形。基于该原理，利用再生文石片与树脂制备了重构珍珠层材料。
图1：褶纹冠蚌珍珠层中成熟层（ML）与过渡层（TL）的结构对比。
图2：褶纹冠蚌珍珠层成熟层（ML）与过渡层（TL）的力学性能对比。
图3：褶纹冠蚌珍珠层过渡层（TL）与成熟层（ML）的变形机制。
图4：成熟层（ML）的高模量增韧机制。
图5：重构珍珠层的制备与表征。
结论展望
综上所述，本文揭示了褶纹冠蚌成熟珍珠层中由晶态有机-无机框架（COIF）所主导的高模量增韧机制。该结构利用临界滑移长度效应，使材料刚度与强度接近理论极限。同时，纳米限域生物分子微晶充当纳米销钉，降低应力局域化程度并实现跨尺度协同变形，最终赋予材料优异的断裂韧性。将该机制应用于重构珍珠层时，所得材料展现出优异性能（弹性模量43 GPa，断裂韧性12.8 MPa m1/2，临界裂纹长度0.2 mm，塑性区尺寸112 μm），成功实现刚度与韧性的解耦。上述研究结果建立了一种普适的基于COIF的仿生材料设计思路，可拓展至多种具有纳米限域结构的纳米材料体系。
文献信息
Hang Chen, Hao Yan, Chuangqi Zhao, Guangze Yang, Chunyi Peng, Jin Huang, Tianyi Zhao, Xuanze Li, Li-Dong Zhao, Lei Jiang, and Mingjie Liu, Hierarchical crystalline organic-inorganic framework enabling high-modulus toughening in nacre,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg1070
（来源：网络版权属原作者 谨致谢意）
热门跟贴