研究背景

生物结构陶瓷展现出卓越的机械特性，如珍珠母，由文石片晶和生物聚合物组成，展示了高韧性和高强度的平衡。尽管传统人工结构材料难以同时达到这两种特性，仿生设计成为弥补材料缺陷的有效策略。珍珠母的“砖和砂浆”结构为人工复合材料的断裂韧性提升提供了灵感。然而，人造陶瓷的断裂韧性放大效果远不如原材料，这主要归因于生物陶瓷结构的精确控制，其性能优化在多尺度上进行。

研究成果

中国科学技术大学俞书宏教授团队通过仿生矿化引入成分梯度，制备出纳米级人工珍珠母。梯度在片晶表面产生类似钢化玻璃的压缩残余应力，提高了片晶的强度和抗破坏性。这种设计增强了片晶的断裂韧性，通过合理设计强化片层，实现人造珍珠母性能的优化。研究结果发表在《The Innovation》杂志上，题为“Nanograded artificial nacre with efficient energy dissipation”。

图文速递

具有氧化石墨烯梯度的人造珍珠母（GAN）通过在壳聚糖溶液中加入氧化石墨烯纳米片，再进行仿生矿化制备。氧化石墨烯-壳聚糖基质通过冻干和矿化处理，形成具有层状结构的氧化石墨烯-壳聚糖基质。矿化后的基质呈深色，而对照组（NGN）保持白色。通过热压将矿化基质渗入蚕丝纤维素溶液，制备出人造珍珠母。氧化石墨烯纳米片在片晶中均匀分布，形成仿珍珠母的分层结构。在微观尺度上，片晶由紧密排列的纳米颗粒构成。通过拉曼成像和扫描电子显微镜，揭示氧化石墨烯纳米片在片晶层间表面附近的聚集。

宏观机械性能

与对照组（NGN）相比，具有氧化石墨烯梯度的人造珍珠母（GAN）表现出显著的宏观机械性能提升。抗弯强度从NGN的66.6±2.3 MPa增加至94.2±3.5 MPa，同时变形能力也得到改善。单边缺口梁测试显示，GAN的断裂韧性在稳定裂纹增长阶段达到2.95±0.11 MPa m1/2，比NGN高33%。断裂韧性提高归因于梯度产生的残余应力场，从内在和外在两方面增强片晶的断裂韧性。

结论与展望

通过仿生矿化引入成分梯度，制备出性能优越的人造珍珠母。梯度在片晶表面产生的压缩残余应力提高了片晶的强度和断裂韧性。这种梯度设计从微观到宏观层面整合了设计原则，显著提高了结构陶瓷的机械性能。未来工作应侧重于开发可控制造技术，实现多种结构设计的整合，为性能超强且可调的新型结构材料的制造奠定基础。