作者:陈思铭等 来源:《科学进展》 发布时间:2024/4/18 11:16:10
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中国科大提出仿生适度有序布利冈结构概念

 

自然布利冈结构由纳米纤维单向组装成层进而螺旋堆叠而成,独特的结构和界面可赋予诸多生物材料卓越的力学性能。深刻理解布利冈结构构效关系并以合适的手段将其转录至人工系统有望推动纤维基结构材料的发展。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队针对纤维基元界面设计薄弱的现状,基于网络态纳米纤维的适度有序力学设计理念,开展仿生布利冈结构多级次可重构纤维界面设计的系统性研究,提出仿生适度有序布利冈结构概念,分级构筑了具有动态可重构纤维界面的高性能仿生布利冈结构材料。相关研究成果发表于《科学进展》。

论文第一作者、中国科大副研究员陈思铭介绍,不同于传统仿生界面的化学交联固化,这种适度有序纤维设计创造的纤维桥接互锁结构和三维氢键网络可以通过纤维间滑移和氢键的断裂-重构赋予仿生界面对外部荷载的动态自适应特性,从而达到广泛耗散能量的目的。独特的仿生界面和适度有序结构设计将为广泛存在的网络态纳米纤维的仿生组装及组装体高性能化与应用提供新的启示和指导。

纳米纤维的空间取向度是决定其排列的关键,合理设计纤维的空间排列以调控纤维间分子尺度相互作用有助于优化界面的变形模式和荷载传递能力,进而自下而上设计具有优异宏观力学性能的仿生纤维基结构材料。研究人员以网络态细菌纤维素纳米纤维为模型基元,单轴牵伸其凝胶膜以诱导纳米纤维空间取向排列,然而实验上难以获知取向度对纤维网络微观力学行为的影响。基于此,研究人员开展基于不同取向角度纤维模型的大规模分子动力学模拟。结果表明,适度有序结构可以优化氢键网络的维度和促成模型断面上纤维素分子链的桥接互锁,展现出较完全有序结构更加坚固的韧性断面。

研究人员利用扫描电镜、图论分析以及偏振光-微加载技术开展成像研究,证实了膜层内纳米纤维的网络特性及其衍生的纤维桥接互锁和三维氢键网络界面能够极大促进纤维微运动、应力传递和能量耗散。进一步结合螺旋堆叠和热压致密化,研究人员可将膜层内纳米纤维界面行为传递到宏观尺度,制备出仿生适度有序布利冈结构材料。系统性的力学性能调查表明,所构筑的仿生材料具有突出的力学表现和尺寸稳定性,在生医领域如能量耗散型纤维软骨的修复与替代方面前景显著。

陈思铭说,整体上,由纤维桥接互锁和三维氢键网络介导的仿生适度有序布利冈结构将为纳米纤维素材料的力学增强设计提供重要启示,将推动网络态纳米纤维的仿生组装、组装体高性能化和应用。(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1884

 
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