Biomimetiske mikro/nanoskala fiberforstærkede kompositter

Over hundreder af millioner af års evolution, naturen har produceret et utal af biologiske materialer, der tjener enten som skeletter eller som defensive eller offensive våben. Selvom disse naturlige strukturelle materialer er afledt af relativt sterile naturlige komponenter, såsom skrøbelige mineraler og duktile biopolymerer, de udviser ofte ekstraordinære mekaniske egenskaber på grund af deres højt ordnede hierarkiske strukturer og sofistikerede grænsefladedesign. Derfor, de er altid et forskningsemne for forskere, der sigter på at skabe avancerede kunstige strukturelle materialer.

Gennem mikrostrukturel observation, forskere har fastslået, at mange biologiske materialer, herunder fiskeskæl, krabbekløer og knogler, alle har en karakteristisk "snoet krydsfiner" struktur, der består af et højt ordnet arrangement af mikro/nanoskala fiberlameller. De er strukturelt sofistikerede naturfiberforstærkede kompositter og udviser ofte fremragende skadestolerance, som er ønskelig for tekniske strukturelle materialer, men svært at få. Derfor, forskere søger at efterligne denne form for naturlig hierarkisk struktur og grænsefladedesign ved at bruge kunstige syntetiske og rigelige endimensionelle mikro/nanoskalafibre som byggesten. På denne måde de håber at producere højtydende kunstige strukturelle materialer, der er bedre end eksisterende materialer. Imidlertid, på grund af manglen på mikro/nanoskala samlingsteknologi, især manglen på midler til effektivt at integrere endimensionelle mikro/nanoskala strukturelle enheder i makroskopisk bulkform, at efterligne naturlige fiberforstærkede kompositter har altid været en stor udfordring.

For nylig, inspireret af mikro/nanoskala snoet krydsfinerstruktur af den naturlige Arapaima giga skala rustning (a-d), det biomimetiske forskerhold ledet af professor Shu-Hong Yu fra University of Science and Technology of China (USTC) foreslog en højeffektiv, bottom-up 'børste-og-laminering' samlingsstrategi (e-f) med de biokompatible mikro/nanofibre som strukturelle enheder, og fremstillede med succes tredimensionelle bulk biomimetiske snoet krydsfiner strukturelle materialer (g). Gennem hierarkisk kontrol af fiberjusteringen i biopolymermatrixen, de mekaniske egenskaber af resulterende materialer kan præcist moduleres. De fandt ud af, at de opnåede kunstige materialer tæt replikerer multiskala strukturelle og hærdende mekanismer af deres naturlige modstykker, realisere fremragende mekaniske egenskaber langt ud over grundlæggende strukturelle komponenter; de kan sammenlignes med naturlige knogler og mange andre naturlige og kunstige materialer. Vigtigere, den foreslåede montagestrategi er miljøvenlig, programmeret og skalerbar, og kan nemt udvides til andre materialesystemer. Derfor, det giver et nyt teknologisk rum til at designe mere avancerede biomimetiske fiberforstærkede konstruktionsmaterialer (især rustningsbeskyttelsesmaterialer).