天然生物與仿生梯度材料研究獲進展

中國科學院金屬研究所與美國加利福尼亞大學伯克利分校、加利福尼亞大學圣地亞哥分校的研究人員合作，揭示了生物組織與材料中廣泛存在的梯度結(jié)構(gòu)取向特征，并提煉出了一種提高材料接觸損傷抗力的仿生設(shè)計新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向獲得梯度變化的力學性能，實現(xiàn)局域剛度、強度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高結(jié)構(gòu)整體的力學性能。通過力學分析與數(shù)值模擬，研究人員建立了結(jié)構(gòu)取向與各力學性能之間的定量關(guān)系，闡明了材料損傷抗力提高的機理，并提出了相應(yīng)仿生梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

在此基礎(chǔ)上，研究人員進一步總結(jié)了自然界中常見基本功能梯度材料的設(shè)計形式與原則，并以典型的生物材料為例，按照組成與成分、組織結(jié)構(gòu)（包括結(jié)構(gòu)單元的排列方式、空間分布、尺度和取向）、界面，以及不同類型梯度在多級結(jié)構(gòu)尺度的結(jié)合與匹配的思路，對生物材料中的梯度進行了具體的描述與分析，歸納了梯度設(shè)計在材料性能優(yōu)化中所起的作用和相應(yīng)機制。同時，研究人員總結(jié)了在仿生梯度材料設(shè)計與應(yīng)用方面取得的最新進展，特別是對3D打印等新型材料制備技術(shù)在仿生梯度材料領(lǐng)域的應(yīng)用進行了討論，并指出了未來天然生物與仿生梯度材料研究亟待解決的關(guān)鍵科學問題及面臨的挑戰(zhàn)。 (金屬所)