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  在自然界，生物體能夠在溫和的條件下，利用軟質(zhì)天然高分子和硬質(zhì)礦物制造各類生物結(jié)構(gòu)材料。由于復雜的多次級結(jié)構(gòu)和強界面作用，這些材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能及多功能。在這些生物結(jié)構(gòu)材料中，Bouligand手性結(jié)構(gòu)因為其多尺度多層次的增強增韌機制及獨特的圓偏振結(jié)構(gòu)色，受到廣泛關(guān)注。然而，如何大規(guī)模制備兼具高強度高韌性和圓偏振光學特性的Bouligand結(jié)構(gòu)材料仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。

圖1 仿生生物光子結(jié)構(gòu)材料設(shè)計示意圖

  研究人員系統(tǒng)地研究了礦化時間對仿生礦物復合材料結(jié)構(gòu)的影響。其中，礦化3小時的手性模板顯示出均勻的單層形態(tài)。在手性模板上生長的碳酸鈣礦物處于非晶態(tài)，均勻地分布在有機質(zhì)框架中，礦化薄膜很好地保留了特征性的手性螺旋狀結(jié)構(gòu)。將礦化時間延長至1天，可形成層次分明的夾層微結(jié)構(gòu)，兩個薄方解石層（約5μm厚）與中間厚的螺旋層構(gòu)成了一個獨特的三明治結(jié)構(gòu)。這種在外層和內(nèi)層有著明顯礦物分布不同的雙相形態(tài)，類似于天然甲殼動物的外/內(nèi)角質(zhì)層。外層較高的礦化程度可以提供較高的剛度和硬度，內(nèi)部保留了與礦化3小時相同的ACC手性結(jié)構(gòu)。這種雙相層狀結(jié)構(gòu)使得外層方解石層和內(nèi)層ACC層之間能夠通過手性模板形成強有力的橋接。因此，復合材料表現(xiàn)出了出色的界面穩(wěn)定性，即使在膠帶反復剝離和強超聲處理后，仍能在干/濕狀態(tài)下保持原有的夾層完整性。

  此外，礦化材料有序的手性結(jié)構(gòu)為礦化薄膜提供了明亮的結(jié)構(gòu)色，這在以前的礦化材料中很少觀察到（圖2）。礦化一天的薄膜具有白色外觀，浸水后可立即轉(zhuǎn)換為虹彩色，這種轉(zhuǎn)變快速可逆且其結(jié)構(gòu)色波長可調(diào)。為了豐富光子功能，該手性模板還可在預先設(shè)計的基底上進行自組裝，在其表面構(gòu)建額外的光學元件，隨后的礦化過程可以完美地保留其預先設(shè)計的光子結(jié)構(gòu)。通過整合具有不同光子周期的光柵結(jié)構(gòu)，可獲得多種具有高飽和度和高純度的可控結(jié)構(gòu)顏色，以及清晰的衍射圖案。同時，該礦化材料還具有獨特的水塑性，可定制各種形狀。

圖2 仿生礦化復合材料的光子性能和水塑性性能

圖3 仿生礦化復合材料的力學性能

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202206509