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自然界中有諸多集各種優(yōu)越性能于一體的復(fù)合材料，牙釉質(zhì)無(wú)疑是大自然中最耀眼的一種，它既堅(jiān)硬又有足夠的韌性，能很好的應(yīng)對(duì)外界沖擊。盡管我們的骨骼，昆蟲的外骨骼，以及貝殼都表現(xiàn)出這種優(yōu)良的性能，但是它們之間的納米結(jié)構(gòu)相差較大。巧合的是，人類、海膽、恐龍和海象牙釉質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)卻十分相似，甚至連章魚的喙也有類似結(jié)構(gòu)：整齊的釉柱間滲透著蛋白質(zhì)基質(zhì)（圖1）。牙釉質(zhì)在不同生物中的保守進(jìn)化說(shuō)明了這個(gè)結(jié)構(gòu)確實(shí)不錯(cuò)。若能發(fā)開(kāi)出一種與牙釉質(zhì)性能相似的材料，將必定在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域大放異彩。

圖1 生物復(fù)合材料中的柱狀結(jié)構(gòu)（Columnar motifs） 圖片來(lái)源：Nature

a. 人類牙齒牙釉質(zhì)(Homo sapiens) b.章魚的喙（Octopus vulgaris）c.古代海象牙齒牙釉質(zhì)（Odobenidae family） d. 霸王龍牙齒牙釉質(zhì)（Tyrannosaurus rex）

美國(guó)密歇根大學(xué)（University of Michigan）的Nicholas A. Kotov研究團(tuán)隊(duì)日前在《Nature》報(bào)道了一種高性能人工復(fù)合材料的制備方法，該材料的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能與天然牙釉質(zhì)相似。研究人員首先用水熱法在晶片上沉積ZnO納米線，然后通過(guò)聚丙烯胺（PAAm）和聚丙烯酸（PAA）逐層（LBL）沉積吸附到ZnO表面（圖2b）。隨著ZnO納米線間的所有空隙被填滿，聚電解質(zhì)（polyelectrolytes）在ZnO頂部產(chǎn)生一層親水層，繼而在頂層可以沉積新的ZnO納米顆粒，如此往復(fù)（圖2c），便得到了一種與牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)類似的材料（ZnO / LBL）n（其中n是ZnO納米線和PAAm / PAA LBL基質(zhì)沉積的循環(huán)數(shù)，圖3）。

圖2 （ZnO / LBL）n材料制備和結(jié)構(gòu)示意圖 圖片來(lái)源：Nature

圖3 （ZnO / LBL）n電鏡圖 圖片來(lái)源：Nature

最后，研究人員對(duì)（ZnO / LBL）n納米復(fù)合材料的性能進(jìn)行了探索，靜態(tài)納米壓痕測(cè)試表明67%無(wú)機(jī)物含量的（ZnO / LBL）5與85%無(wú)機(jī)物含量的牙釉質(zhì)硬度相當(dāng)。粘彈性品質(zhì)因數(shù)（VFOM）用以表述材料對(duì)振動(dòng)損傷的抗性，值越大，抗性越好，（ZnO / LBL）n的VFOM超過(guò)傳統(tǒng)材料極限0.6，與牙釉質(zhì)VFOM相當(dāng)，甚至更高。（ZnO / LBL）n的密度也比其它生物或制造的粘彈性材料更低。總的來(lái)說(shuō)，該材料具有高強(qiáng)度、高阻尼、低密度諸多優(yōu)點(diǎn)。

研究人員非常期此方法能在所有柱狀復(fù)合材料的合成中應(yīng)用，以此促進(jìn)高性能承重材料領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

Yeom, B.; Sain, T.; Lacevic, N.; Bukharina, D.; Cha, S.-H.; Waas, A. M.; Arruda, E. M.; Kotov, N. A., Abiotic tooth enamel. Nature 2017, 543 (7643), 95-98.