中國科學技術大學俞書宏教授課題組和倪勇教授課題組在人工珍珠層材料仿生宏量制備方面取得重要進展，設計并成功發展了適用于高性能、大尺寸、體型人工珍珠層材料的仿生宏量制備新策略。相關成果以“Mass production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties”為題于2017年8月18日發表在《自然-通訊》上（Nat. Commun. 2017, 8, 287），論文的共同第一作者是博士生高懷嶺和陳思銘。
圖1.大尺寸體型人工珍珠層材料的高效仿生制備。(a) 設計思路與制備策略；(b) 人工珍珠層材料的數碼照片；(c) 人工珍珠層材料; (d) 天然珍珠層材料的SEM顯微結構；(e) 高速相機捕獲的人工珍珠層材料和(f)天然珍珠層材料的沖擊測試過程。
圖2. (a) SEM圖像顯示了在開口彎曲測試中，大尺度的裂紋偏轉；(b) SEM圖像顯示了裂紋偏轉、分叉、以及萌生的多級裂紋；(c) SEM圖像顯示了接近裂紋末端的裂紋橋；(d) SEM圖像顯示了磷酸鈣微納片的拔出，海藻酸鈉聚合物的橋連、牽引；(e) 非線性有限元模擬人工珍珠層材料的破壞過程。
天然珍珠層材料因其多級有序的層狀微納“磚-泥”結構而表現出卓越的高強度和高韌性。該獨特自然結構吸引著研究人員投入大量的精力，以模仿并設計制備相應的高性能人工結構材料。經過近幾十年的發展，人工珍珠層材料仿生制備領域已取得了重大進展，各種制備方法被相繼提出。其中，自下而上的組裝策略，如層層自組裝、蒸發引誘自組裝、噴涂組裝等，已在二維薄膜型仿珍珠層材料的制備方面表現出簡便、靈活、高效、可擴大化制備的特點，但卻難以實現可用于力學承載的三維體型人工珍珠層材料的制備。近年來所發展的包括冰模板法結合陶瓷燒結、磁場誘導組裝、3D打印、原位礦化生長等技術，雖然在高性能三維體型人工珍珠層材料的仿生設計方面獲得重大突破，然而其設備要求復雜、成本高、效率低等因素極大限制了材料的進一步宏量制備。因此，探索如何優質高效地制備更接近實用應用的大尺寸體型人工珍珠層材料具有重要的科學意義和應用價值。
俞書宏教授領導的團隊針對這一難題，在他們提出的介觀尺度“組裝與礦化”相結合的方法合成塊狀人工貝殼珍珠層材料工作的基礎上（Science 2016, 354, 107-110），提出了一種高效且通用的組裝新策略，通過將溶液蒸發組裝法構筑的仿珍珠層結構二維薄膜進一步疊合熱壓，成功實現了由微納基元到高性能、大尺寸、三維體型仿珍珠層材料的快速宏量構筑。他們與中國科學技術大學工程科學學院倪勇教授課題組合作，提出了所制備體型人工珍珠層材料的多級次增韌機理。研究人員發現，基于該方法可以從分子尺度到宏觀尺度的各個層面對材料結構進行優化，從而使所得材料可以成功地復制天然珍珠層材料的多級結構和增韌機理，并且其力學性能可與多種自然結構材料和工程材料相媲美。
研究表明，這一多級組裝新策略具有靈活性、高效性、普適性的特點，可以應用到其他多種材料體系中，因此有望在今后進行其他三維體型人工珍珠層材料的仿生宏量制備方面獲得廣泛應用。該研究成果對設計和制備面向實際應用的高性能仿生結構材料具有重要的指導意義。
該工作得到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、蘇州納米科技協同創新中心、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。
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