《Nature》:仿生牙釉質的複合材料

牙釉質是自然界中最有標誌性的天然複合材料,它既堅硬又有韌性,是一種可遇不可求的多功能材料,如能夠通過人工合成,其用途會非常廣泛。牙釉質間的釉柱是它堅固的基石,但在人造複合材料中,類似於釉柱的「垂直」結構卻非常難模仿。美國密歇根大學的NicholasA.Kotov團隊利用已有的技術開發了一種新方法解決了上述問題,該方法製備出的材料與天然牙釉質性質相似,具有高強度、高阻尼、低密度諸多優點。

自然界中有諸多集各種優越性能於一體的複合材料,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,能很好的應對外界衝擊。儘管我們的骨骼,昆蟲的外骨骼,以及貝殼都表現出這種優良的性能,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。若能發開出一種與牙釉質性能相似的材料,將必定在生物醫學和航空航天領域大放異彩。

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圖1 生物複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(Octopusvulgaris)c.古代海象牙齒牙釉質(Odobenidae family) d. 霸王龍牙齒牙釉質(Tyrannosaurusrex)

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複合材料的製備方法,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,然後通過聚丙烯胺(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,如此往複(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基質沉積的循環數,圖3)。

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圖2 (ZnO / LBL)n材料製備和結構示意圖 圖片來源:Nature

圖3 (ZnO / LBL)n電鏡圖 圖片來源:Nature

最後,研究人員對(ZnO / LBL)n納米複合材料的性能進行了探索,靜態納米壓痕測試表明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製造的粘彈性材料更低。總的來說,該材料具有高強度、高阻尼、低密度諸多優點。

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

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.

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