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【進展】科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)大熊貓牙齒具有自修復(fù)相應(yīng)

2019-01-15 12:11:23 作者：劉增乾來源：中國科學(xué)院金屬研究所分享至：

牙齒是動物天生的進攻防衛(wèi)武器和咀嚼食物的工具。大熊貓是動物界中牙尖齒利的典型代表，其99%的食物是竹子，堅固強悍的牙齒是大熊貓啃食竹子的利器。

最近，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾博士帶領(lǐng)研究團隊研究發(fā)現(xiàn)，作為典型的自然武器材料，大熊貓牙釉質(zhì)能夠在發(fā)生變形與損傷后在微納米尺度進行顯著的自動回復(fù)，這主要得益于其高密度的富含有機質(zhì)的微觀界面和巧妙的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，即組成牙釉質(zhì)的無機礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規(guī)則排列，而礦物之間的界面以天然有機質(zhì)填充，如圖1所示。牙釉質(zhì)的變形、損傷與自動回復(fù)微觀上都是以界面為媒介實現(xiàn)的，水分子能夠?qū)ψ孕迯?fù)效應(yīng)起到顯著的促進作用，這主要歸因于牙釉質(zhì)界面中的天然有機質(zhì)在水合條件下會發(fā)生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低等轉(zhuǎn)變。

劉增乾研究團隊在系統(tǒng)闡明天然生物材料梯度設(shè)計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計原則，闡明了梯度結(jié)構(gòu)取向與再取向?qū)αW(xué)性能的優(yōu)化機理，并且提煉了改善材料力學(xué)性能的仿生設(shè)計新思路，即通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。同時，該研究組首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學(xué)穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現(xiàn)其剛度、強度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。

此外，針對自然界長期“軍備競賽”形成的主要用作武器的天然生物材料，該研究組還闡明了其主要的種類、形式與組織結(jié)構(gòu)特征，從材料科學(xué)與力學(xué)角度揭示了其同步實現(xiàn)進攻與防護效果的性能優(yōu)化機理，并提煉了共性的仿生材料設(shè)計原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計、與局部應(yīng)力狀態(tài)相匹配的空間梯度設(shè)計、自適應(yīng)與自修復(fù)功能設(shè)計，以及配套與支撐系統(tǒng)設(shè)計等。

目前，該研究組正致力于利用上述原則設(shè)計研發(fā)新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生復(fù)合義齒材料、高強高導(dǎo)電接觸材料等方面取得了新進展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實際應(yīng)用需求。

相關(guān)研究成果發(fā)表于Progress in Materials Science 88 （2017） 467-498、Advanced Materials 30 （2018） 1705220、Acta Biomaterialia 44 （2016） 31-40、Acta Biomaterialia 81 （2018） 267-277以及Acta Biomaterialia （in press, doi: 10.1016/j.actbio.2019.01.010），并被Materials Today和Advances in Engineering以新聞的形式報道。