仿生结构规划能够有用补偿人工资料耐性和强度无法统筹这一缺点。但是，当时仿生资料的功能却适当有限，尽管不乏报导了断裂耐性和强度均比天然珍珠母更高的人工结构陶瓷，但这首要得益于其原资料的固有功能而非多级次结构规划。人工仿生资料结构规划带来的功能增强起伏远不如天然珍珠母。实践上，将跨标准下的多种规划原理集成到一种资猜中适当具有挑战性，因为纳米标准的结构对微观机械功能的影响难以预测，现在没有见到能一起操控资料的不同标准结构的制备办法的报导。

  近来，我国科学技能大学俞书宏院士团队经过在仿生珍珠母基元片中引进纳米梯度结构，诱导基元片发生预应力然后强化其强度，终究大起伏的进步了资料的断裂耐性（图1），证明了经过引进纳米结构逐步优化仿生结构陶瓷功能的可行性。相关效果以“Nanograded artificial nacre with efficient energy dissipation”为题发表于Cell出版社旗下的综合性期刊《TheInnovation》上（TheInnovation2023, 4(6), 11505）。

  图1.具有微米标准的“砖-泥”结构与纳米标准梯度结构两种模型的仿生珍珠母

  研讨人员报导了将两种模型整合至仿生结构陶瓷中以改进其断裂耐性的办法：一种是常见的仿珍珠母微米标准的“砖-泥”结构模型，另一种是大范围的使用于生物和人工资料的纳米标准梯度结构模型。经过构筑氧化石墨烯与有机物的混合结构，使用结构诱导矿化成长的办法制备具有氧化石墨烯梯度的仿生珍珠母（GAN），因为碳酸钙矿藏非经典成核成长进程中非晶碳酸钙能够包容更多的杂质分子，在其逐步结晶熟化进程中，氧化石墨烯杂质分子将被扫除到晶体外侧，然后使得石墨烯在基元片两边逐步累积构成梯度散布。资料具有天然珍珠母的典型特征，包含层中出现的燕尾形状和波纹结构；适量增加氧化石墨烯不会显着改动资料的微观结构，且根本不会对矿化的矿藏含量发生必定的影响；别的，氧化石墨烯能够和碳酸钙发生必定的效果，细微影响其结晶。经过拉曼技能能验证石墨烯首要散布在矿藏层的外层，内测较少，出现梯度散布趋势。

  这种组分梯度能够诱导横向预应力场，即基元片外表邻近的压应力和中心邻近的拉应力。外表邻近的压应力有助于闭合基元片外表的纳米裂缝，这与钢化玻璃的结构相似。与没有梯度的仿生珍珠母比较，具有成分梯度的资料表现出更高的内部和外部断裂耐性。纳米压痕测验标明，基元片的应力场可进步人工珍珠质的硬度、强度和抗裂纹萌生的才能，这与资料较高的内部耐性相吻合。此外，因为外表压应力的效果，具有梯度的仿生珍珠母的基元片能更有用的进行滑动和裂纹偏转，以此来完成更高的外部增韧。

  所制备的GAN具有多种能量耗散机制（图2），相似于天然珍珠母的纳米颗粒结构答应经过旋转和变形发生塑性变形，在压痕凹口周围构成堆积区域，这其间的颗粒能够交融和再结晶以构成更大的晶粒；凹痕邻近的裂纹桥接和纳米裂纹也可进一步耗散能量。与没有梯度的仿生珍珠母比较，GAN的纳米压痕硬度高出50%，且其反抗压头顶级揉捏所需求的非弹性变形区更小；从能耗密度来说，GAN高达0.159 ± 0.007 nJ/μm3，是无纳米梯度结构时的两倍。别的值得一提的是，离散元模仿标明，当梯度被进一步扩大时，GAN的能量耗散才能也会更强。

  仿生结构陶瓷的实践使用需求在资料具有优异的功能。这项作业证明，经过在多级标准上整合规划准则，不管这些准则是否运用仿生理念，都能轻松完成这一方针。此外，一起操控不同标准的结构特征具有挑战性，而本研讨使用矿化进程来完成这一方针。以矿藏前驱体结晶为驱动力，使纳米片向基元片外表集合，然后在矿藏基元片中构建氧化石墨烯梯度。组分梯度在基元片外表引起压应力场，由此改进了基元片的硬度和强度；结合仿珍珠母微米标准的层状结构的长处，终究在微观标准下表现出了比无梯度仿生珍珠母更高的断裂耐性。现在的作业证明了多标准结构规划增韧的可行性，为完成多标准结构规划的集成和超强结构资料的制备供给了一种可行的战略和思路。

  我国科学技能大学化学系博士后孟玉峰为榜首作者，我校俞书宏院士和茅瓅波副研讨员为论文通讯作者。该研讨作业得到了我国科学院先导项目、国家重点研制方案、新柱石科学基金会、国家自然科学基金重点项目和青年项目等项目的赞助支撑。