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中安在線、中安新聞客戶端訊 自然布利岡結構由納米纖維單向組裝成層進而螺旋堆疊而成，獨特的結構和界面可賦予諸多生物材料卓越的力學性能。深刻理解布利岡結構構效關系并以合適的手段將其轉錄至人工系統有望推動纖維基結構材料的發展。
記者4月16日從中國科大獲悉，近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊針對纖維基元界面設計薄弱的現狀，基于網絡態納米纖維的適度有序力學設計理念，開展仿生布利岡結構多級次可重構纖維界面設計的系統性研究，提出仿生適度有序布利岡結構概念，分級構筑了具有動態可重構纖維界面的高性能仿生布利岡結構材料。相關研究成果發表于《科學進展》。
論文第一作者、中國科大副研究員陳思銘介紹，不同于傳統仿生界面的化學交聯固化，這種適度有序纖維設計創造的纖維橋接互鎖結構和三維氫鍵網絡可以通過纖維間滑移和氫鍵的斷裂-重構賦予仿生界面對外部荷載的動態自適應特性，從而達到廣泛耗散能量的目的。獨特的仿生界面和適度有序結構設計將為廣泛存在的網絡態納米纖維的仿生組裝及組裝體高性能化與應用提供新的啟示和指導。
納米纖維的空間取向度是決定其排列的關鍵，合理設計纖維的空間排列以調控纖維間分子尺度相互作用有助于優化界面的變形模式和荷載傳遞能力，進而自下而上設計具有優異宏觀力學性能的仿生纖維基結構材料。研究人員以網絡態細菌纖維素納米纖維為模型基元，單軸牽伸其凝膠膜以誘導納米纖維空間取向排列，然而實驗上難以獲知取向度對纖維網絡微觀力學行為的影響。基于此，研究人員開展基于不同取向角度纖維模型的大規模分子動力學模擬。結果表明，適度有序結構可以優化氫鍵網絡的維度和促成模型斷面上纖維素分子鏈的橋接互鎖，展現出較完全有序結構更加堅固的韌性斷面。
研究人員利用掃描電鏡、圖論分析以及偏振光-微加載技術開展成像研究，證實了膜層內納米纖維的網絡特性及其衍生的纖維橋接互鎖和三維氫鍵網絡界面能夠極大促進纖維微運動、應力傳遞和能量耗散。進一步結合螺旋堆疊和熱壓致密化，研究人員可將膜層內納米纖維界面行為傳遞到宏觀尺度，制備出仿生適度有序布利岡結構材料。系統性的力學性能調查表明，所構筑的仿生材料具有突出的力學表現和尺寸穩定性，在生醫領域如能量耗散型纖維軟骨的修復與替代方面前景顯著。
陳思銘說，整體上，由纖維橋接互鎖和三維氫鍵網絡介導的仿生適度有序布利岡結構將為納米纖維素材料的力學增強設計提供重要啟示，將推動網絡態納米纖維的仿生組裝、組裝體高性能化和應用。
該校陳思銘副研究員、王廣振和侯遠震博士生為共同第一作者，俞書宏院士、高懷嶺特任教授和朱銀波副教授為共同通訊作者。（記者 汪喬）