先(xian)進結構(gou)材(cai)(cai)(cai)料已在航(hang)空航(hang)天、建筑和汽車制(zhi)造等領域得到(dao)了(le)廣(guang)泛應用，其(qi)(qi)性(xing)(xing)能(neng)需(xu)同時滿足輕(qing)質、高(gao)強度以(yi)及優異的(de)(de)(de)韌性(xing)(xing)。通(tong)過(guo)模仿珍珠(zhu)母高(gao)度有序(xu)的(de)(de)(de)“磚-泥”結構(gou)并引入礦(kuang)物橋增強機制(zhi)，可(ke)制(zhi)備(bei)出兼具(ju)強度與韌性(xing)(xing)的(de)(de)(de)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)仿生結構(gou)材(cai)(cai)(cai)料。隨著多功(gong)能(neng)應用需(xu)求(qiu)的(de)(de)(de)日益(yi)增長，這些(xie)材(cai)(cai)(cai)料還需(xu)具(ju)備(bei)其(qi)(qi)他功(gong)能(neng)以(yi)適(shi)應復雜(za)的(de)(de)(de)環境變(bian)化(hua)。例如(ru)，在某(mou)些(xie)易燃(ran)場景(jing)中(zhong)，失控火災(zai)產生的(de)(de)(de)高(gao)溫可(ke)能(neng)會(hui)(hui)顯著削弱結構(gou)材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)機械性(xing)(xing)能(neng)，從(cong)而增加(jia)設(she)備(bei)故障或(huo)結構(gou)坍塌(ta)的(de)(de)(de)風險。然而，仿生復合材(cai)(cai)(cai)料中(zhong)有機成分(fen)固有的(de)(de)(de)熱穩定性(xing)(xing)限(xian)制(zhi)了(le)其(qi)(qi)整(zheng)體高(gao)溫性(xing)(xing)能(neng)。為應對這一(yi)挑戰，通(tong)常需(xu)要(yao)引入火災(zai)報警(jing)和阻燃(ran)系統，但系統的(de)(de)(de)復雜(za)性(xing)(xing)增加(jia)將會(hui)(hui)影響其(qi)(qi)可(ke)靠性(xing)(xing)。因(yin)此，開發(fa)兼具(ju)主動早期火災(zai)預警(jing)和被動阻燃(ran)的(de)(de)(de)多功(gong)能(neng)結構(gou)材(cai)(cai)(cai)料具(ju)有重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)實際意義(yi)。

近(jin)日(ri)，188bet足球俞(yu)書(shu)宏(hong)院士(shi)(shi)(shi)團隊提出了一(yi)種將原子摻雜設計(ji)與仿生(sheng)(sheng)結(jie)構設計(ji)相結(jie)合(he)的策略，制備(bei)出具有機械魯棒(bang)性、熱致變色(se)特性和阻燃功能(neng)的仿珍珠母氧化鋁-氰酸酯復(fu)合(he)材(cai)料。相關成果(guo)以(yi)“A nacre-inspired structural material with thermochromic properties and mechanical robustness by atomic-level design”為(wei)題發表于《國(guo)家科學(xue)評(ping)論(lun)》（National Science Review）。188bet足球博(bo)士(shi)(shi)(shi)研究(jiu)生(sheng)(sheng)龐俊、博(bo)士(shi)(shi)(shi)后王澤宇和博(bo)士(shi)(shi)(shi)生(sheng)(sheng)宋濤為(wei)論(lun)文共同第一(yi)作(zuo)者(zhe)，俞(yu)書(shu)宏(hong)為(wei)通訊作(zuo)者(zhe)。

圖1.原子級摻雜策略與仿生復合材料制備示意圖。

研究團隊通(tong)過可控的(de)(de)(de)固(gu)溶反應(ying)合成了(le)鉻摻雜的(de)(de)(de)氧化鋁微米片，并將其作為仿珍(zhen)珠母(mu)結構中(zhong)的(de)(de)(de)“磚(zhuan)”（圖(tu)1和圖(tu)2a-c）。這(zhe)些微米級(ji)組(zu)裝基元表現出(chu)獨特的(de)(de)(de)可逆熱(re)致變色(se)特性。同(tong)(tong)時(shi)，該原(yuan)子級(ji)摻雜策略同(tong)(tong)步實現了(le)固(gu)溶強化效(xiao)應(ying)，與仿珍(zhen)珠母(mu)多級(ji)結構設計協同(tong)(tong)作用（圖(tu)1），使仿生復合材(cai)料具有(you)高彎(wan)曲(qu)強度（~290.1MPs）和高斷(duan)裂韌性（~11.1MPa m1/2）的(de)(de)(de)(de)機械(xie)性能(neng)(neng)(neng)（圖(tu)2d）。通(tong)過基于機器學習的(de)(de)(de)(de)K-means模(mo)型的(de)(de)(de)(de)圖(tu)像識別技術(shu)，仿(fang)生(sheng)(sheng)復合材(cai)料在250℃時的(de)(de)(de)(de)響應(ying)時間為9秒，適(shi)用(yong)于早(zao)(zao)期火災(zai)預警（圖(tu)2e）。此(ci)外，高度有(you)序的(de)(de)(de)(de)“磚-泥(ni)”結構有(you)效阻礙(ai)了氧氣的(de)(de)(de)(de)傳導，實現(xian)了50%的(de)(de)(de)(de)極限(xian)氧指數，從(cong)而賦(fu)予了仿(fang)生(sheng)(sheng)復合材(cai)料優異(yi)的(de)(de)(de)(de)阻燃性能(neng)(neng)(neng)（圖(tu)2e）。該仿(fang)生(sheng)(sheng)復合材(cai)料在保持優異(yi)機械(xie)性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)基礎上(shang)，通(tong)過集成早(zao)(zao)期火災(zai)主動(dong)預警與(yu)被動(dong)式阻燃雙重功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)，構建了主動(dong)-被動(dong)協同防護體系(xi)，從(cong)而使其成為兼具結構承載與(yu)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)防護功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)多功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)材(cai)料，在智(zhi)能(neng)(neng)(neng)火災(zai)預警系(xi)統領域展現(xian)出廣闊應(ying)用(yong)前景。

圖(tu)2.（a）氧(yang)(yang)化鋁(lv)微(wei)米片截面透(tou)射(she)電鏡(jing)元素分(fen)布(bu)圖(tu)；（b）聚焦離子(zi)束技術(shu)沿著（006）晶(jing)面對鉻(ge)摻雜的氧(yang)(yang)化鋁(lv)微(wei)米片進行精確(que)加工；（c）鉻(ge)摻雜的氧(yang)(yang)化鋁(lv)微(wei)米片原(yuan)子(zi)級透(tou)射(she)電鏡(jing)元素分(fen)布(bu)圖(tu)；（d）仿(fang)生復合材(cai)料(liao)機械性能的Ashby圖(tu)；（e）仿(fang)生復合材(cai)料(liao)的主動早期火(huo)災預(yu)警與被動防火(huo)阻燃功(gong)能示意圖(tu)。

這(zhe)項工(gong)作(zuo)展示(shi)了結(jie)構設計(ji)與功能設計(ji)的有效結(jie)合(he)，實現了主(zhu)動早期火災(zai)預(yu)警和(he)被動阻燃協同(tong)作(zuo)用(yong)機制，為復(fu)雜惡劣環境下新一代(dai)智能火災(zai)預(yu)警系統的高性(xing)能結(jie)構材料開發(fa)提供了一種嶄(zhan)新的途徑。

該研(yan)究得到了國家重點研(yan)發(fa)計劃、中(zhong)國科(ke)(ke)學院戰(zhan)略(lve)性先導科(ke)(ke)技專項(xiang)、國家自然科(ke)(ke)學基(ji)金(jin)重大項(xiang)目、安徽省(sheng)重大基(ji)礎(chu)研(yan)究項(xiang)目以及新基(ji)石研(yan)究員項(xiang)目等(deng)資助。

論文(wen)鏈(lian)接：//doi.org/10.1093/nsr/nwaf098