华南理工大学钟林新团队《AFM》：通过取向效应和原位生物矿化构建超强、透明的仿生纳米复合材料

在自然界中，生命体通过调节无机矿物的形成，创造了许多具有层次结构的生物材料。一些典型的生物矿化材料，如骨骼、牙齿和珍珠层，通过强相互作用将硬质的无机矿物和柔软的有机基质精确地组合在一起，形成了具有有序层次结构的有机-无机纳米复合材料，这些天然生物材料中构件块的取向排列对其优异的机械性能起着关键作用。然而，对于目前的仿生材料而言，有机-无机异质结构通常均匀性差、界面结合力弱以及存在各种缺陷，从而限制了此类材料在强度和韧性方面的突破。因此，精确设计每个层次的结构、软相和硬相构件块之间的结构耦合以及消除缺陷对于构建仿生复合材料至关重要，目前仍然是一项巨大的挑战。

近日，华南理工大学钟林新教授、彭新文教授课题组报道了一种具有高密度交联界面的仿生纳米复合材料，有机-无机异质结构从纳米到宏观的高度集成，有效解决了有机-无机复合材料中存在的相分离和界面缺陷问题，从而显著提高了材料的机械强度和韧性。该研究成果以“Ultra-strong and transparent biomimetic nanocomposite through orientation effects and in-situ biomineralization”为题发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。该论文的第一作者是华南理工大学轻工科学与工程学院博士生赵轩。

在这项工作中，研究人员结合取向效应和原位生物矿化作用，精确地设计了每个层次的结构，从而构建了一种超强、透明的仿生纳米复合材料。由于其独特的结构特性，该纳米复合材料显示出超高的拉伸性能和各向异性的光学特性。该工作有望为高性能生物矿化材料的设计提供从结构耦合到精确控制界面、微观结构的新认识与新途径。

图1纳米复合膜的结构设计示意图

通过细菌纤维素（BC）纳米纤维的长程取向效应引导无定形磷酸钙离子低聚物（CPO）中间相在纳米纤维之间的高度融合，显著消除了各种缺陷，促进了多尺度界面结合，增加了有机基质的结晶尺寸。随后，通过热处理原位诱导亚稳态CPO向羟基磷灰石（HAP）晶体矿化，将有机-无机界面牢固地融合在一起，形成了连续均匀的高度整体结构。纳米复合膜显示出各向异性特征，BC纳米纤维的取向因子高达0.82，证明了其在纳米复合膜中高度有序排列。

图2纳米复合膜有序层次结构的形成和表征

图3取向效应促进大尺寸纤维素晶体的形成和排列

为了研究有机-无机相的有效耦合和有序层次结构对纳米复合膜力学性能的影响，借助有限元模拟和分子动力学模拟对纳米复合膜的断裂机制进行了深入分析。密集堆叠的有序结构抑制了裂纹的横向生长，使裂纹偏转到薄膜的纵向。裂纹在这些堆叠层的界面处沿复杂路径传播，导致锯齿形裂纹偏转、分支和长程裂纹扩展，耗散了大量的能量，大大提高了纳米复合膜的强度和韧性。此外，HAP结晶的形成和纤维素晶体尺寸的增加导致了长程应力传递，从而增强了纳米复合膜的力学性能。纳米复合膜具有超高的强度，拉伸应力达1168.1 ±10.2 MPa，韧性高达34.1 ± 0.8 MJ m−3，超越了目前其他已报道的仿生矿化材料。

图4 纳米复合膜的拉伸性能和断裂失效机制

该工作还展示了这种超强、高透明的各向异性纳米复合薄膜在光学、传感和生物医学等领域的潜在应用。

图5纳米复合膜在光学和湿度传感领域的潜在应用

图6粗纤维的力学性能、编织性能和生物相容性，显示了其在生物医学领域的应用潜力

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