生物材料盡管由性能并不突出的簡(jiǎn)單組元在相對(duì)溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來的獨(dú)特的變形與斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)理。

近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室生物力學(xué)與仿生材料研究組博士劉增乾帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在金屬所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目資助下，根據(jù)“認(rèn)識(shí)自然–理解自然–學(xué)習(xí)自然”的思路，從材料科學(xué)角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構(gòu)及賦予其優(yōu)異性能的關(guān)鍵機(jī)理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而將其應(yīng)用于人造材料體系，通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人造材料的性能優(yōu)化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。

該研究組在系統(tǒng)闡明天然生物材料梯度設(shè)計(jì)的形式、原則及其起到的作用與機(jī)制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計(jì)原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學(xué)性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向與再取向?qū)αW(xué)性能的優(yōu)化機(jī)理，提煉了改善材料綜合力學(xué)性能的仿生設(shè)計(jì)新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。同時(shí)，該研究組首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。通過調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強(qiáng)度逐步提高，同時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強(qiáng)；而在壓縮條件下，材料的力學(xué)穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢(shì)。因此，材料可以利用有限的變形實(shí)現(xiàn)其剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。

此外，針對(duì)自然界長(zhǎng)期“軍備競(jìng)賽”形成的主要用作武器的天然生物材料，該研究組闡明了其主要的種類、形式與組織結(jié)構(gòu)特征，從材料科學(xué)與力學(xué)角度揭示了其同步實(shí)現(xiàn)進(jìn)攻與防護(hù)效果的性能優(yōu)化機(jī)理，并提煉了共性的仿生材料設(shè)計(jì)原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計(jì)、與局部應(yīng)力狀態(tài)相匹配的空間梯度設(shè)計(jì)、自適應(yīng)與自修復(fù)功能設(shè)計(jì)，以及配套與支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。特別是研究發(fā)現(xiàn)，作為典型的自然武器材料，主要由無機(jī)礦物組成的大熊貓牙釉質(zhì)能夠在發(fā)生變形與損傷后在微納米尺度進(jìn)行顯著的自動(dòng)回復(fù)，這主要得益于其高密度的富含有機(jī)質(zhì)的微觀界面和巧妙的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即組成牙釉質(zhì)的無機(jī)礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規(guī)則排列，而礦物之間的界面以天然有機(jī)質(zhì)填充，如圖2所示。牙釉質(zhì)的變形、損傷與自動(dòng)回復(fù)微觀上都是以界面為媒介實(shí)現(xiàn)的，水分子能夠?qū)ψ孕迯?fù)效應(yīng)起到顯著的促進(jìn)作用，這主要?dú)w因于牙釉質(zhì)界面中的天然有機(jī)質(zhì)在水合條件下會(huì)發(fā)生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低等轉(zhuǎn)變。

上述研究成果能夠?yàn)樾滦透咝阅苋嗽旆律牧显O(shè)計(jì)提供有益的啟示和指導(dǎo)。目前，該研究組正致力于利用上述原則設(shè)計(jì)研發(fā)新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生復(fù)合義齒材料、高強(qiáng)高導(dǎo)電接觸材料等方面取得了新進(jìn)展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖1 材料通過微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)綜合力學(xué)性能的全面同步提升

圖2 大熊貓牙釉質(zhì)微納米尺度組織結(jié)構(gòu)及其自修復(fù)效應(yīng)與微觀機(jī)制