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近年來，自然界中生物的自適應進化現象為高性能結構材料的研發提供了豐富的靈感。這些生物通過億萬年的進化，形成了獨特且高效的結構，如穿山甲殼的分段層狀結構、豪豬刺的核殼多孔結構、海龜殼的薄片堆疊結構以及犀牛角的卷曲柱狀結構。這些結構不僅實現了輕量化，還兼具高強度、高韌性與高抗沖擊的卓越特性。其中，鮑魚這一古老的軟體動物，其堅硬的外殼更是生物進化與結構設計的典范。鮑魚殼微觀結構類似于建筑中的磚泥結構，其中磚塊由堅硬的礦物質構成，而灰泥則由柔軟的有機物構成。這種磚泥結構的獨特之處在于，它能夠通過斷裂、剪切、粘附以及互鎖等多種機制來耗散能量，從而達到遠超單一材料成分的防護效果。因此，仿珍珠層結構無疑為開發新型高性能抗沖擊結構材料提供了新的思路。

  鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊研發出一種仿珍珠層剪切變硬膠基智能材料。這種材料采用雙向冷鑄與氮氣退火工藝，通過自組裝形成了獨特的二維納米片蒙脫土（MMT）/MXene層狀網絡，并利用超聲浸漬與真空干燥技術，將具有應變率敏感特性的剪切變硬膠（SSG）引入其中，制備出一種集能量耗散、多軸傳感、自我修復與焦耳熱療等多種功能于一體的智能材料。仿珍珠層結構的設計賦予了這種智能材料優良的沖擊防護性能，能夠將高達1308.1 N的沖擊力大幅減低至370.4 N，其性能超越了多種商用工程材料。通過有限元分析，進一步揭示了該材料在裂紋擴展、孔隙壓實與磚塊滑移等多個尺度上的協同耗能機制。此外，借助MXene各向異性導電網絡，該智能材料可以作為電子皮膚，在智能感知與熱管理方面發揮重要作用。這一獨特的仿生設計策略為輕質防護裝甲與可穿戴電子設備領域提供了新的思路。相關研究成果以“Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics”為題，發表在國際Top期刊《Composites Part B: Engineering》。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院碩士生李子木，通訊作者為龔興龍教授與王勝副教授。 

【智能材料結構設計】

圖1 仿生結構材料設計

圖2 新型雙向冷鑄工藝

【智能材料力學表征】

圖3 復雜環境適應性

圖4 應變率敏感力學性能

圖5 沖擊載荷防護性能

圖6 多尺度協同耗能機理

【智能材料力-電-熱耦合研究】

圖7智能感知與熱管理功能研究

【智能防護裝備研發】

圖8 智能防護裝備研發

  原文鏈接：

  Zimu Li, Sheng Wang, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Zhentao Zhang, Danyi Li, Jinyu Yang, Junshuo Zhang, Yu Wang, Xinglong Gong. Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics. Composites Part B: Engineering 2024, 111526. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111526.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111526