【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】）2026年10月1日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》以Research Article形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)劉明杰教授團(tuán)隊(duì)在生物材料高強(qiáng)高韌機(jī)制與仿生納米復(fù)合材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。論文題為“Hierarchical Crystalline Organic-Inorganic Framework Enabling High-Modulus Toughening in Nacre”。該研究以天然貝殼珍珠層為研究對(duì)象，從分子-微納-宏觀跨尺度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了無(wú)機(jī)相限域生物分子的晶態(tài)組織及多級(jí)次晶態(tài)有機(jī)-無(wú)機(jī)框架結(jié)構(gòu)(Crystalline Organic–Inorganic Framework, COIF)，揭示了其通過(guò)臨界滑移長(zhǎng)度和納米釘扎實(shí)現(xiàn)高模量、高強(qiáng)度與高韌性協(xié)同的力學(xué)機(jī)制，并進(jìn)一步將這一結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用于再生珍珠層材料的設(shè)計(jì)，為突破傳統(tǒng)復(fù)合材料中剛度與韌性難以兼顧的設(shè)計(jì)瓶頸提供了新的材料設(shè)計(jì)思路。陳航博士后為第一作者，劉明杰教授為通訊作者，北京航空航天大學(xué)為第一單位。
 

　　天然貝殼珍珠層始終是仿生材料設(shè)計(jì)的經(jīng)典范本。自其“磚泥”結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，相關(guān)研究大多遵循“從自然到人工”的路徑，即解析其微納組織特征，并以此指導(dǎo)人工材料設(shè)計(jì)。然而，經(jīng)典“磚泥”模型主要關(guān)注微米尺度文石片層與層間有機(jī)基質(zhì)的組織關(guān)系，對(duì)于更深層次的納米尺度有機(jī)–無(wú)機(jī)組織及其精細(xì)組裝特征，仍缺乏深入認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)前期在人工合成體系中的探索，為重新審視這一經(jīng)典天然結(jié)構(gòu)提供了新的思路。2020年，團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)表研究成果，發(fā)現(xiàn)二維無(wú)機(jī)材料能夠通過(guò)納米空間限域調(diào)控高分子結(jié)晶與結(jié)構(gòu)有序性。這一發(fā)現(xiàn)為解析珍珠層提供了新的研究視角：如果人工二維無(wú)機(jī)材料能夠限域高分子結(jié)晶，那么在經(jīng)過(guò)數(shù)億年生物礦化演化形成的珍珠層中，無(wú)機(jī)碳酸鈣是否也可能通過(guò)類(lèi)似的納米限域作用，誘導(dǎo)或穩(wěn)定其中的生物分子形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)？由此，研究團(tuán)隊(duì)將研究方向從傳統(tǒng)的“由自然到人工”進(jìn)一步轉(zhuǎn)向“由人工到自然”，重新審視珍珠層內(nèi)部的納米尺度組織。
 

　　通過(guò)高分辨透射電子顯微鏡及多尺度結(jié)構(gòu)表征，研究團(tuán)隊(duì)在珍珠層內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了受無(wú)機(jī)相納米限域的生物分子晶體，并由此揭示了不同于傳統(tǒng)“磚泥”模型的晶態(tài)有機(jī)–無(wú)機(jī)組織方式。具體而言，寬約30納米的文石納米棒與厚度約5納米的納米限域生物分子晶體相互交織，形成具有跨尺度的多級(jí)次特征的晶態(tài)有機(jī)–無(wú)機(jī)框架。這一發(fā)現(xiàn)拓展了傳統(tǒng)“磚泥”模型對(duì)珍珠層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為揭示其多級(jí)次組織結(jié)構(gòu)與優(yōu)異力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及高模量、高強(qiáng)度與高韌性協(xié)同的結(jié)構(gòu)起源，提供了關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)證據(jù)。
 

　　科技飛速迭代背景下，先進(jìn)復(fù)合材料是高端裝備創(chuàng)新發(fā)展的核心基石。航空航天、高載荷力學(xué)器件等領(lǐng)域?qū)Σ牧细邚?qiáng)、高韌、高穩(wěn)定的需求持續(xù)攀升，具備多級(jí)跨尺度結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能協(xié)同可控的仿生納米復(fù)合材料，已成為新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其微觀結(jié)構(gòu)可控、輕量化、高損傷容限性的突出優(yōu)勢(shì)，完美適配高端材料集成應(yīng)用需求。與此同時(shí)，該材料兼具結(jié)構(gòu)-力學(xué)-功能多場(chǎng)耦合效應(yīng)，可有效緩解極端服役環(huán)境中的應(yīng)力集中與結(jié)構(gòu)形變，為裝備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供保障，可用于開(kāi)發(fā)高強(qiáng)防護(hù)構(gòu)件與抗疲勞器件。除此之外，仿生納米復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)防護(hù)、抗沖擊構(gòu)件、輕量化承載部件等力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，具備重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值與工程應(yīng)用前景。
 

　　生物礦化體系蘊(yùn)藏著大量大自然歷經(jīng)億萬(wàn)年演化形成的精妙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為解決人工結(jié)構(gòu)材料中長(zhǎng)期存在的力學(xué)性能權(quán)衡難題開(kāi)辟了獨(dú)特途徑。不同于傳統(tǒng)人工復(fù)合材料依靠單一軟相耗能的增韌思路，本次研究所揭示的 COIF 結(jié)構(gòu)，利用納米限域生物分子晶體實(shí)現(xiàn)多尺度應(yīng)力調(diào)控。該全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念跳出現(xiàn)有仿生材料的制備范式，為下一代兼顧高模量、高強(qiáng)度與高韌性的輕量化承載材料開(kāi)發(fā)提供生物原型參考。
 

　　本文聚焦天然珍珠層，探究其中生物分子結(jié)晶現(xiàn)象及其對(duì)材料增韌的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)三角帆成熟層珍珠質(zhì)中存在一種由晶態(tài)有機(jī)-無(wú)機(jī)框架(COIF)主導(dǎo)的高模量增韌機(jī)制。該結(jié)構(gòu)保留大家熟知的 “磚-泥” 骨架，還在片層內(nèi)部搭建起多級(jí)結(jié)構(gòu)：30 納米的文石納米棒垂直片層生長(zhǎng)，納米棒之間 5 納米的空隙中分布著生物分子微晶。得益于臨界滑移長(zhǎng)度效應(yīng)，這些晶態(tài)單元的強(qiáng)度與模量接近理論極值。被納米空間限域的生物分子微晶如同納米銷(xiāo)釘，緩解應(yīng)力集中，驅(qū)動(dòng)多尺度協(xié)同形變。受此啟發(fā)，我們使用再生文石片和樹(shù)脂，制備出重構(gòu)珍珠層仿生材料。
 

　　綜上所述，本文揭示三角帆蚌成熟珍珠層內(nèi)由晶態(tài)有機(jī)-無(wú)機(jī)框架(COIF)主導(dǎo)的高模量增韌機(jī)制。該結(jié)構(gòu)借助臨界滑移長(zhǎng)度效應(yīng)，使材料剛度與強(qiáng)度趨近理論極限；與此同時(shí)，納米限域生物分子微晶發(fā)揮納米銷(xiāo)釘作用，緩解應(yīng)力局域化，實(shí)現(xiàn)跨尺度協(xié)同形變，賦予珍珠層優(yōu)異的斷裂韌性。將該機(jī)理用于重構(gòu)珍珠層仿生材料設(shè)計(jì)，制備所得樣品表現(xiàn)出突出力學(xué)性能：彈性模量 43 GPa，斷裂韌性12.8 MPa m0.5，臨界裂紋長(zhǎng)度 0.2 mm，塑性區(qū)尺寸 112 μm，成功實(shí)現(xiàn)剛度與韌性的解耦。本研究建立了基于 COIF 結(jié)構(gòu)的普適性仿生材料設(shè)計(jì)策略，有望推廣至各類(lèi)具備納米限域特征的納米復(fù)合材料體系。
 

　　引用：《Science》刊發(fā)北航劉明杰教授團(tuán)隊(duì)在生物材料高強(qiáng)高韌機(jī)制與仿生納米復(fù)合材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展-【引用時(shí)間：2026年10月8日】