自然材料中复杂的微纳结构间存在力学协同作用，组成的全体结构对生物体适应环境具有遑急意旨。算作经典模子，墨鱼骨具有“刚性空腔-隔板”的全体结构，约略承受来自深海的巨巨流压。在外部载荷作用下，隔板不错散播应力就去色妹妹，刚性空腔不错通过充分落空吸能，权贵提高材料的毁伤容限和能量领受性能，幸免横祸性破损。可是，奈何调控微纳构筑基元的有序排布，已矣仿生结构材料中不同微纳基本结构的全体同步拼装极具挑战性。
近日，中国科学手艺大学俞书宏院士团队报谈了一种期骗预设异种微纳结构的进行拼装的新策略，受自然墨鱼骨“刚性空腔-隔板”层状有序结构的启发（图1a），已矣了仿墨鱼骨结构材料（以下简称：RCWSM）的跨程序一体化构筑。RCWSM具有与自然墨鱼骨一样的微纳程序“刚性空腔-隔板”结构，比强度和比能量领受性能优于传统吸能材料。关系商讨遵守于2025年1月2日以“Multiscale integral synchronous assembly of cuttlebone-inspired structural materials by predesigned hydrogels”为题发表在Nature Communications杂志上（Nat. Commun.2025，16， 62），中国科大博士后杨怀斌，博士生路怡星、岳鑫为共同第一作家，合肥微程序物资国度商讨中心管庆方副商讨员和俞书宏院士为通信作家。
图1.仿墨鱼骨结构材料（RCWSM）的策画制备、里面微纳结构与构筑基元间相互作用。
为了已矣RCWSM的构筑，商讨东谈主员策画了两种不同结构的水凝胶：接管名义氨基化的绢云母微米片与羧基化纤维素纳米纤维，钙离子交联后变成水凝胶构筑隔板层；采纳空腹玻璃微球和聚乙烯醇、季铵化纤维素纳米纤维原位拼装，变成具有刚性空腔结构的水凝胶算作刚性空腔层，并将两种不同微纳结构的水凝胶进行层层交叠拼装（图1b）。通过外力相通拼装脱水，被包裹在纤维素纳米纤维相聚会的绢云母片发生致密化拼装堆叠，变成具有砖泥结构的隔板层；被包裹在聚乙烯醇/纤维素纳米纤维相聚会的空腹玻璃微珠致密堆积，同步变成了刚性空腔层，由此已矣了“刚性空腔-隔板”结构的制备（图1c）。在材料里面，构筑基元之间通过氢键、名义共价作用和电荷相互作用等多重相互作用已矣了紧密联接（图1d）。
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图2.RCWSM与三明治结构（SSM）材料的失效行径对比，以及RCWSM与其他传统吸能材料的密度、比强度和比能量领受对比。
商讨限度标明，仿墨鱼骨“刚性空腔-隔板”结构具有细密的应力散播效果，隔板层有助于全体结构在受压现象下保捏细密的踏实性（图2a，b）。在准静态压缩应力下，隔板层约略散播应力使得刚性空腔层优先发生落空致密化失效；当多半致密化区产生后，隔板层才会发生断裂，直至全体结构充分塌陷。因此，RCWSM在受压经过中产生踏实的非挤出失效，促使预设的空腔结构充分落空领受能量，进一步擢升材料的力学性能和能量领受性能（图2c）。同期，“刚性空腔-隔板”结构还具有抗裂纹膨胀效果，能灵验幸免材料一忽儿失效（图2d，e）。RCWSM的上述失效行径与自然墨鱼骨雷同，具有优于其他传统吸能材料的比强度和比能量领受（图2f，g），而且约略在高速冲击下领受能量。通过预制异种结构水凝胶，已矣仿生结构材料的跨程序一体化拼装，为复杂仿生结构的集成拼装提供了新念念路，为研发面向重才智域应用的轻质高强吸能戒备材料的策画具有教导意旨。
该商讨获得了中国科学院政策性先导商讨谋略、国度重心研发谋略、国度当然科学基金、安徽省紧要基础商讨谋略、安徽省隆起后生科学基金和新基石商讨员等资助。
论文都集：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55344-1
开端：中科大
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