仿生构筑多级次非均相梯度纳米复合材料

Natural bone shows excellent combination of structural and functional performances, because of the hierarchical heterogenous gradient structure. Inspired by the natural bone, this project is aimed at constructing novel hierarchical heterogenous gradient structure to realize the fabrication of bioinspired nanocomposites combining structural and functional performances, via newly developed technologies. Firstly, the novel ice-templating technology will be exploited to construct complicated heterogeneous gradient structure at the micro-scale. Then, the integrated technology from 3D printing and ice-templating will be developed to achieve simultaneous construction of hierarchical heterogeneous gradient structure both at the macro- and micro-scale taking advantages of 3D printing on the macroscale gradient design. Finally, the effective responsive interface will be designed with the various building blocks and diverse responsive functional materials, to realize the combination of structural and functional performances with clarified general relevance corresponding to the hierarchical heterogeneous gradient structure. This project will lay the theoretical basis for the construction of hierarchical heterogeneous gradient structure and broaden the fabrication strategy of bioinspired nanocomposites with combined structural and functional performances. What’ s more, the closer simulation to natural materials on the structure and function will be achieved, which may significantly drive the development of the bioinspired nanocomposites.

天然骨骼材料显示出优异的结构/功能一体化特性，原因在于其具有多级次非均相梯度结构。受此启发，本项目旨在通过开发新技术，构筑新型多级次非均相梯度结构，继而制备结构/功能一体化仿生纳米复合材料。本项目，首先开发新型冰模板技术，实现在微观尺度上构筑复杂的非均相梯度结构；其次，开发3D打印与冰模板相结合的制备技术，利用3D打印在宏观尺度上进行梯度结构设计的优势，实现在微观和宏观尺度上同时构筑多级次非均相梯度结构；最后，结合多种纳米结构单元材料和响应性功能材料，进行有效的响应性界面设计，集成力学性能与响应性能，实现结构/功能一体化，并阐明多级次非均相梯度结构在设计结构/功能一体化智能纳米复合材料方面的普适性规律。本项目将为指导构建多级次梯度结构提供理论依据与最优化选择，拓宽结构/功能一体化仿生纳米复合材料的制备思路与技术手段，更好地模拟自然界生物材料的结构和功能特性，推动仿生纳米复合材料领域的发展。

传统高分子纳米复合材料的增强、增韧理念，主要是在高分子基体中均匀分散少量纳米基元材料，提高高分子基体的强度或韧性。但是，这种“均相”结构的高分子纳米复合材料存在力学强度和韧性难以兼顾的矛盾，限制了传统高分子纳米复合材料的应用。本项目通过研究解析优异性能的自然材料，如银杏果果壳等，获得了新的微观结构与力学性能的构效关系，并受此启发开发了新型的组装技术，在高分子基体中引入功能纳米基元材料，如粘土、石墨烯、MXene等，构筑了多级次非均相、多尺度梯度序构结构。同时引入氢键、离子键、Π共轭、共价键等多种界面相互作用，实现并优化了界面相互作用的协同效应，进一步放大了“功能基元和序构”的“增强、增韧效应”，阐明了功能基元的“序构”与力学强度和韧性的本征规律，制备了兼具高强度和高韧性的高分子纳米复合材料，同时这些高分子纳米复合兼具其他功能，例如结构自监测、电磁屏蔽等功能。项目执行期间，以通讯作者发表SCI论文29篇，包括Science 1篇，Nature Materials 1篇，PNAS 3篇，Nature Communications 4篇， Angew Chemie 6篇，授权中国发明专利16项。项目执行期间，负责人获批国家杰出青年科学基金，北京市杰出青年科学基金等项目，同时获北京市杰出青年中关村奖，茅以升北京青年科技奖等。培养博士研究生10名，硕士研究生8名，博士后3名。与相关领域的国外教授开展实质性合作，如美国劳伦斯国家实验室Antoni P. Tomsia教授，美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray Baughman教授，英国帝国理工学院Eduardo Saiz 教授，以色列魏茨曼科学研究所Hanoch Daniel Wagner教授，澳大利亚卧龙岗大学窦世学教授等，取得显著成绩。