具有高损伤容忍性的“龙虾壳”问世，盘点那些自然界发明的新型仿生材料

4月6日记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队**提出了非连续布利冈（Bouligand）结构的设想，并发展了一种程序化组装纳米纤维的方法，成功地创制出一种新型的轻质高强仿生非连续布利冈结构纳米复合材料，实现了非连续纤维桥连和布利冈构造诱导裂纹偏转的协同增韧。该成果为研制高性能结构材料提供了新的组装方法。相关论文日前发表在国际期刊《物质》上。

布利冈结构由单向纳米纤维片层螺旋堆叠构成，在骨、鱼鳞、龙虾壳等多种生物材料中广泛存在，是一种典型的纤维增强结构，直接决定这些生物材料的**力学性能。然而，蕴藏在自然布利冈结构中的智慧仍未得到充分开发和运用，已实现的仿生布利冈结构与自然布利冈结构相比，无论在结构层级还是结构精度方面都相差甚远。

研究人员基于所开发的有序组装纳米纤维基元的程序化装置，以环境友好的硬硅钙石纳米纤维和海藻酸钠为原料，通过螺旋组装硬硅钙石纳米纤维于海藻酸钠基体中，并结合溶胶―凝胶―薄膜转变过程，成功制备了非连续布利冈结构纳米复合材料。实验表明，该材料展现了**的力学性能，优于许多如鱼鳞片、层状骨、蟹螯等天然布利冈结构材料以及仿生布利冈结构类似物和部分工程纤维复合材料。进一步通过断口微结构分析与理论模拟发现，该材料表现出裂纹偏转和纤维桥连增韧机制。

盘点那些大自然发明仿生材料

1、利用真菌生产的可降解材料

一家美国公司利用真菌将农业肥料转化为壳素，壳素是真菌在消化过程中产生的一种硬纤维。使用这种纤维可以生产各种产品，从家具和电脑配件到更先进的复合材料。这是利用自然界的真菌将垃圾转化为可降解材料的有益尝试。



2、根据生物细胞形成组织制成新建筑材料

受到生物细胞形成组织的工作原理的启发，奥地利建筑师设计了由PVC或热塑性聚氨酯弹性体制成的充气“细胞”。这些“细胞”实际上是可以形成人们想要的任何结构的组件。这些“细胞”是密封的、防火的，可以阻挡太阳辐射，每个“细胞”之间都有一个隔膜，因此即使一个“细胞”受损，其余的也可以继续支撑整个结构。



3、类似海参皮肤的医学材料

将电极植入大脑有助于治疗神经系统疾病，但硬塑料植入物会大大降低治疗效果。美国科学家通过对海参皮的研究找到了一种解决方法。根据周围环境的变化，海参的表皮会从海绵般的柔软状态变成非常坚硬的状态。科学家制造了一种纤维，这种纤维在无水时会变硬，但遇水时会变得非常柔软。

4、根据自然分解过程制成废水处理系统

蚯蚓和甲虫能分解森林中的有机物，促使澳大利亚一家公司找到一种新的污水处理方法，即利用活的“腐殖质”。该污水生物处理系统完全不使用化学品，其污水处理效率是化粪池的10倍。

5、模仿病毒的自我组合能力

麻省理工学院的材料科学家利用“自组装技术”，将无害病毒自组装成电池和晶体管等纳米级电子元件。其原理是在特殊蛋白质的控制下，病毒可以自动“端到端”，形成纳米级的生物丝，可以用来制造电池电极和电线。采用病毒作为电极和导线后，电池体积变小，具有透明、柔软、可折叠等优点。

6、模仿海洋生物

即使是“防水”绷带遇到水也会部分失效。为了找到一种方法，使这种人工粘合贴片更好地贴在潮湿的表面，美国科学家仔细观察了贻贝和其他海洋生物是如何使自己在水中固定不动的。贻贝产生称为荚丝的细丝，这种细丝非常坚固，可以附着在石蜡、玻璃、骨头和金属表面。科学家们通过处理蛋白质来模仿贻贝的工作方式，这种方式产生的粘合剂可以在水下使用。

7、向植物学习

在很多人眼里，二氧化碳是一种温室气体，应该致力于减排，但对植物来说却不是。二氧化碳是植物生长不可缺少的能源。北美一家绿色塑料制造公司也将二氧化碳视为能源。他们使用催化剂将乙醇生产产生的二氧化碳与石油化工原料结合起来生产塑料。

8、根据捕蝇草制成的新型聚合物表面

维纳斯捕蝇草表面有一层细小的毛发。当它被异物接触时，维纳斯捕蝇草的叶子会由凹变凸，从而诱捕猎物。美国科学家模仿维纳斯捕蝇草的工作原理，研制出一种新型聚合物表面。聚合物表面覆盖有微透镜，当被外界物体接触时，微透镜会由凸面变为凹面，从而使聚合物的吸附行为立即发生变化。

9、根据珊瑚结构设计出“绿色水泥”

传统的水泥生产会释放大量的二氧化碳，但北美一家公司开发的技术将彻底改变这种状况。受珊瑚中镁和钙的超微结构的启发，他们发现了一种生产“绿色水泥”的新方法。每吨“绿色水泥”***多可储存一吨二氧化碳。
https://www.hongyantu.com/news/29128.html 20220414

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