Small Structures: 具有卓越力学性能的仿生先进材料

随着对材料研究的深入,人们发现对现存材料的开发远远没有达到最高点。尤其近来对自然界生物结构研究发现,通过对材料进行微纳米尺度的结构和成分进行精确调控,可以实现材料性能的大幅度提高。自然界中有非常多有趣的结构,比如一些动物的骨骼甲壳和一些植物的种壳外皮等,都具有非常优异的力学性能,但是其基本结构单元却都是一些力学性能非常一般的物质,例如生物矿物质、生物蛋白、纤维素、木质素等。这种自然界通过对力学性能一般的材料进行微纳米尺度的精密组合而达到通过材料本身无法企及的力学性能的方式给与了研究具有优异力学性能先进材料非常大的启发。

图1:通过向具有优异力学性能的自然结构学习制备具有卓越力学性能的人工仿生与智能材料

澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授团队系统总结了目前在力学仿生材料方向的研究进展。该文着重介绍了自然界具有高强度\高韧度、高锐度\高刚度、高容忍性\高回复性的典型生物结构以及构造机理和从这些自然结构学习的具有这些优异特性的人工先进材料的设计与制造, 并展望了该类仿生材料在可持续技术中的应用。

作者们首先介绍了具有特异力学性能的典型自然生物的力学结构特点以及结构-力学性能构性关系的研究进展。比如同时具有高强度和高韧性的珍珠贝母结构、雀尾螳螂虾锤状掠足结构、自然骨结构以及一些木质结构,同时具有高锐度和高刚度的豪猪棘刺、昆虫的针刺、蛇类毒牙等自然结构,具有高损伤容忍性鱼鳞结构、海星骨架结构、石鳖齿舌结构,具有高回复性的松果结构和莲叶纤维结构等。之后介绍了通过人工合成具有相似结构特点并获得类似卓越力学性能的各类高强高韧、高刚高锐、高容忍高回复的仿生材料。然后介绍了具有优异力学特性的先进材料在可持续领域的应用的一些典型例子。最后作者也讨论了仿生力学材料发展中存在的一些挑战和机遇。

论文信息:

Bioinspired Robust Mechanical Properties for Advanced Materials

Binodhya Wijerathne, Ting Liao, Kostya (Ken) Ostrikov, and Ziqi Sun*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100228

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202100228