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贝壳内层结构竟成隐身材料关键？中国团队破解珍珠母密码

文章来源：贤集网更新时间：2025-05-21 15:47:19

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队传来突破性进展，成功制备出一种结构功能一体化设计的仿珍珠母复合材料。这款复合材料集多项卓越性能于一身，不仅具备独特的颜色可调性和优异的透波性能，还实现了轻量化、高强度、高韧性及出色的抗冲击性能，为研发兼具隐身与防护性能的仿生材料开辟了全新路径，相关研究成果已发表于国际知名期刊《先进材料》。

一、自然启示：珍珠母结构的材料设计密码

在自然界的演化历程中，生物铠甲的精妙设计始终是人类材料创新的灵感源泉。珍珠母作为软体动物贝壳的内层结构，以其独特的 “砖 - 泥” 分层架构（95% 无机碳酸钙纳米片与 5% 有机蛋白质基质），展现出超越单一成分的优异力学性能 —— 其断裂韧性可达普通碳酸钙的 300 倍以上，同时具备与环境匹配的色彩伪装能力。这种 “强韧兼具、功能集成” 的特性，为人工复合材料的设计提供了黄金范本。

中国科学技术大学俞书宏院士团队的最新研究，正是将这种自然智慧转化为工程实践的典型案例。

团队通过模拟珍珠母的多级微观结构，开发出仿珍珠母氧化铝陶瓷基复合材料，不仅实现了轻量化（密度仅为钢的 1/3）、高强度（抗压强度达 450MPa）和高韧性（断裂韧性是商用氧化铝陶瓷的 3 倍）的协同优化，更创新性地赋予材料可调色彩与高效透波性能，为通信设备防护壳体、隐身材料等领域提供了全新解决方案。

二、结构创新：从 “砖 - 泥” 架构到双氧化物界面设计

俞书宏团队提出的 “双氧化物界面设计策略”，是对珍珠母 “砖 - 泥” 结构的现代化演绎。通过自蒸发组装技术，团队将氧化铝微米片有序堆叠，形成类似珍珠母 “砖块” 的层状框架。

随后利用高温烧结工艺，在微米片界面生成无定形二氧化硅 “矿物桥”，模拟天然珍珠母的有机基质功能。这种结构设计不仅通过 “砖块 - 桥接” 机制提升了界面结合强度，更通过调控矿物桥的化学成分，实现了材料颜色从浅灰到深棕的可控调节 —— 其着色原理类似于珍珠母通过微观结构散射光线产生的虹彩效应。

实验数据显示，该仿珍珠母复合材料的抗冲击能量吸收能力达到商用氧化铝陶瓷的 4 倍，这得益于其独特的多级耗能机制：当材料受冲击时，层状氧化铝微米片首先通过滑移耗散能量，随后矿物桥的弹性变形进一步吸收冲击能，最终通过微米片的渐进式断裂实现能量的逐层释放。这种 “分级抵抗” 模式，与珍珠母通过纳米片层错动、有机质拉伸实现抗断裂的机制异曲同工。

在透波性能方面，团队通过优化层状陶瓷框架与低介电常数聚合物的复合结构，构建了微米级透波通道。单晶氧化铝微米片的光轴垂直取向，配合无定形二氧化硅的低介电特性，使材料在 3-18GHz 频段的电磁波透过率超过 90%，显著优于传统金属基屏蔽材料。这种 “力学 - 功能” 的协同设计，打破了传统防护材料 “重防护则弱功能” 的困局。

三、二维碳基纳米复合材料（TDCNs）：珍珠母启发的新一代高性能材料

除了陶瓷基复合材料，受珍珠母启发的二维碳基纳米复合材料（TDCNs）正成为研究热点。以石墨烯、MXene 等二维碳材料为 “砖块”，通过界面桥接策略构建的 TDCNs，其力学性能已媲美甚至超越传统碳纤维复合材料。例如，石墨烯 / 聚合物基 TDCNs 的抗拉强度可达 1200MPa，是同体积碳纤维复合材料的 1.5 倍，而密度仅为其 80%。

空隙缺陷是制约 TDCNs 性能的核心问题。研究表明，传统制备工艺中二维材料堆叠时产生的纳米级空隙，会导致应力集中并降低导电性。通过纳米 CT 和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB/SEM）等表征技术，研究人员揭示了空隙形成的动力学机制，并开发出三种针对性策略：

界面桥接：引入氢键、离子键或 π-π 作用增强二维材料间的化学结合，如通过多巴胺改性石墨烯表面，使其与聚合物基质形成共价键网络；

协同增韧：混合不同尺寸的二维材料（如石墨烯纳米片与碳纳米管），通过 “填料级配” 效应填充空隙；

受限组装：利用电场或磁场引导二维材料定向排列，在纳米尺度上实现密堆积。

这些策略可将 TDCNs 的空隙率从传统工艺的 15%-20% 降低至 5% 以下，使材料的导电率提升 3-5 倍，同时断裂伸长率提高 40%。

TDCNs 的制备工艺具有显著的环保优势。真空辅助过滤、刮刀涂布等方法无需高温高压，能耗仅为传统碳纤维复合材料制备工艺的 1/3。这种特性使其在柔性电子器件（如可穿戴传感器）、电磁屏蔽（如 5G 基站防护材料）、骨组织工程（如仿生骨板）等领域展现出广阔前景。例如，MXene 基 TDCNs 因其高导电性和生物相容性，已被用于开发可实时监测骨愈合进程的智能植入物。

四、未来展望：跨越鸿沟，迈向仿生材料新纪元

仿生珍珠母复合材料的发展依赖多学科融合，分子动力学模拟与深度学习算法助力材料设计优化。但产业化面临双重挑战：二维碳材料制备成本高、陶瓷基加工复杂，亟需创新生产技术与资源利用方式；同时缺乏统一标准，构建力学、功能与环境适应性多维评价体系迫在眉睫。

未来研究聚焦三大方向：开发自修复、自适应的动态响应材料；推广甲壳素等可降解的全生命周期绿色材料；探索宏观力学与纳米功能集成的跨尺度结构设计。

从仿生灵感汲取到材料创新，人类正以“师法自然”的理念推动技术变革。俞书宏团队的突破标志着材料科学从“试错”迈向“精准仿生”。随着技术融合与产业化推进，仿生材料有望革新多领域应用，开启“结构精密、功能多元、制备绿色”的材料新时代。正如《先进材料》审稿人所言，与自然协作是材料创新的无限可能。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_575230.html
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