生物結(jié)構(gòu)材料（如竹子、珍珠和骨骼等）通過(guò)將硬質(zhì)組分和軟質(zhì)組分組裝成復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能，從而為合成材料提供了豐富的靈感。

日前，受海螺殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，浙江大學(xué)柏浩教授利用表面圖案誘導(dǎo)冰模板策略制備了一種具有交叉層狀結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料。這類仿生復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為165 MPa，斷裂功為8.2 kJ·m-2，分別是天然海螺殼的2.5倍和2倍。由于多次裂紋偏轉(zhuǎn)，這種仿海螺殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的韌性是仿珠母貝結(jié)構(gòu)的2倍。這種仿生復(fù)合材料的抗沖擊性與鋁合金相當(dāng)。相關(guān)工作以Conch-shellinspired tough ceramic

為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

為了模擬海螺殼的3層交叉層狀結(jié)構(gòu)，研究者設(shè)計(jì)了具有三區(qū)域的凹槽圖案表面用于冷凍鑄造。首先，選用寬度約5 μm，厚度約250 nm的Al2O3納米片作為基本構(gòu)建組分。冷凍時(shí)，冰晶沿垂直溫度梯度（ΔT）方向進(jìn)行生長(zhǎng)，Al2O3納米片從冷凍前沿被排出到相鄰層狀冰晶之間的空間中。經(jīng)冷凍干燥后，制備得到了具有獨(dú)特的交叉層狀結(jié)構(gòu)的多孔支架。最后，將環(huán)氧樹(shù)脂滲透到多孔支架中，得到海螺殼仿生復(fù)合材料。通過(guò)顯微放大技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)仿生復(fù)合材料中的每個(gè)薄層均由無(wú)機(jī)層和聚合物層所組成，并且Al2O3納米片完全被環(huán)氧樹(shù)脂所包圍。

該種仿生復(fù)合材料中涉及多種外在增韌機(jī)制，以抑制從微觀（納米片和聚合物之間的弱界面）到宏觀尺寸（交叉層狀結(jié)構(gòu)）的多個(gè)長(zhǎng)度尺度上的不穩(wěn)定災(zāi)難性斷裂。因此，海螺殼仿生復(fù)合材料的性能優(yōu)于許多天然材料和工程材料。

下圖為海螺殼仿生復(fù)合材料的制造過(guò)程和層次結(jié)構(gòu)示意圖。