近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部“葛庭燧獎(jiǎng)研金”獲得者劉增乾帶領(lǐng)的研究小組在天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為研究方面取得了系列新進(jìn)展，在沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室開(kāi)辟了天然生物與仿生結(jié)構(gòu)材料研究的新方向。該研究旨在探索各種天然與人造材料體系變形、斷裂以及強(qiáng)韌化之間的本征機(jī)制與聯(lián)系，加深對(duì)材料力學(xué)行為的理解，進(jìn)而從仿生角度實(shí)現(xiàn)人造材料的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能改進(jìn)。相關(guān)成果發(fā)表于Biomaterials 65 (2015) 13-21、Acta Biomaterialia 17 (2015) 137-151及Scientific Reports (in press)。

　　天然生物材料是由生物體在相對(duì)溫和的生長(zhǎng)條件下采用簡(jiǎn)單的礦物與有機(jī)質(zhì)等原材料以自下而上的自組裝方式合成的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期選擇與進(jìn)化，天然生物材料往往具有復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的綜合性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自修復(fù)以及對(duì)外界條件的自響應(yīng)，從而利用最少的材料達(dá)到對(duì)生存環(huán)境的最佳適應(yīng)。天然生物與仿生材料研究不僅有助于揭示自然界的奧秘，加深人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)與理解，而且能夠?yàn)槿嗽觳牧系膬?yōu)化設(shè)計(jì)與制備提供有益的啟示和指導(dǎo)，進(jìn)而從仿生角度促進(jìn)人造材料的發(fā)展和應(yīng)用，因而具有重要的科學(xué)與實(shí)際意義。

　　自2013年6月加入沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，劉增乾與博士研究生焦大等在天然生物與仿生結(jié)構(gòu)材料方面開(kāi)展了大量探索研究。前期工作主要包括：1）考察了貝殼、羽毛、牙齒等典型天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，揭示了材料的多層次跨尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首次系統(tǒng)闡明了天然生物材料本征具有的納米孿晶、位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶體取向差等多重結(jié)構(gòu)缺陷，并揭示了其對(duì)力學(xué)性能的影響，糾正了主要基于有序性和規(guī)律性的傳統(tǒng)天然生物材料結(jié)構(gòu)描述方法；2）考察了典型天然生物材料在不同條件和應(yīng)力狀態(tài)下的變形與斷裂行為，揭示了變形、斷裂機(jī)制及其與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，闡明了結(jié)構(gòu)各向異性、水合狀態(tài)等對(duì)力學(xué)行為的影響及其機(jī)理，提出了不同斷裂模式相互競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)化的力學(xué)準(zhǔn)則，揭示了泡沫與泡沫填充、平面片層、同心球片層、交叉疊片等天然復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化機(jī)理，進(jìn)而提煉出了天然與人造材料組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能優(yōu)化的共性原則機(jī)理；3）揭示了孔雀羽毛、穿山甲鱗片等天然高分子材料在水合作用下的形狀記憶效應(yīng)以及由此引起的自修復(fù)效應(yīng)，考察了形狀回復(fù)與自修復(fù)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及相應(yīng)的材料組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能變化，基于非平衡熱力學(xué)漲落理論提出了定量描述形狀回復(fù)與自修復(fù)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)闡釋了水合的影響及其微觀機(jī)理，為從仿生角度設(shè)計(jì)人造形狀記憶與自修復(fù)材料提供了指導(dǎo)。

　　以上研究工作的開(kāi)展有利于拓寬金屬所和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究方向，并為傳統(tǒng)材料的研究提供新思路、注入新活力。相關(guān)研究得到了中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室“葛庭燧獎(jiǎng)研金”和中國(guó)博士后科學(xué)基金（2014M561263）的資助。

圖1：紫石房蛤貝殼的多層次跨尺度組織結(jié)構(gòu)以及本征具有的納米孿晶結(jié)構(gòu)

圖2：孔雀羽毛及其組成部分在水合作用下的形狀記憶效應(yīng)

圖3：孔雀尾部覆羽羽軸在干、濕狀態(tài)下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及形狀回復(fù)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程