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自然界中有諸多集各種優(yōu)越性能于一體的復合材料，牙釉質無疑是大自然中最耀眼的一種，它既堅硬又有足夠的韌性，能很好的應對外界沖擊。盡管我們的骨骼，昆蟲的外骨骼，以及貝殼都表現出這種優(yōu)良的性能，但是它們之間的納米結構相差較大。巧合的是，人類、海膽、恐龍和海象牙釉質的納米結構卻十分相似，甚至連章魚的喙也有類似結構：整齊的釉柱間滲透著蛋白質基質（圖1）。牙釉質在不同生物中的保守進化說明了這個結構確實不錯。若能發(fā)開出一種與牙釉質性能相似的材料，將必定在生物醫(yī)學和航空航天領域大放異彩。

圖1 生物復合材料中的柱狀結構（Columnar motifs） 圖片來源：Nature

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

美國密歇根大學（University of Michigan）的Nicholas A. Kotov研究團隊日前在《Nature》報道了一種高性能人工復合材料的制備方法，該材料的結構和機械性能與天然牙釉質相似。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（polyelectrolytes）在ZnO頂部產生一層親水層，繼而在頂層可以沉積新的ZnO納米顆粒，如此往復（圖2c），便得到了一種與牙釉質結構類似的材料（ZnO / LBL）n（其中n是ZnO納米線和PAAm / PAA LBL基質沉積的循環(huán)數，圖3）。

圖2 （ZnO / LBL）n材料制備和結構示意圖 圖片來源：Nature

圖3 （ZnO / LBL）n電鏡圖 圖片來源：Nature

最后，研究人員對（ZnO / LBL）n納米復合材料的性能進行了探索，靜態(tài)納米壓痕測試表明67%無機物含量的（ZnO / LBL）5與85%無機物含量的牙釉質硬度相當。粘彈性品質因數（VFOM）用以表述材料對振動損傷的抗性，值越大，抗性越好，（ZnO / LBL）n的VFOM超過傳統(tǒng)材料極限0.6，與牙釉質VFOM相當，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。總的來說，該材料具有高強度、高阻尼、低密度諸多優(yōu)點。

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

參考文獻

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.