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自然界又为下一代超硬先进材料提供了思路!
2022年03月21日 发布 分类:技术前沿 点击量:625
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自然界中有着许多具有独特功能的天然生物材料,它们总能给材料学界带来很多灵感。当科学家成功从材料学角度研究透它们的结构-性能机理后,就能使用相关原理发展先进材料制备技术。举个典型的例子就是贝壳,其组成中的碳酸钙碎片沿着二维平面排布,形成了非常整齐规则的微观结构,这个特征就可以被套用到导热填料的应用中,让氮化硼微片实现这种取向排布,就可以让热量在二维方向横向传导。

贝壳无机粉体的取向排布

贝壳无机粉体的取向排布

取向排布的氮化硼填料可减少复合材料的“界面热阻”

取向排布的氮化硼填料可减少复合材料的“界面热阻”

最近,科学家们又多了一项新发现。加州大学欧文分校的教授 David Kisailus和材料科学与工程专业的研究生Taifeng Wang近距离观察了北太平洋隐壳动物或橡胶靴石鳖的超硬牙齿。发现这些海洋生物的牙齿不仅可以捕捉和咀嚼食物,而且还可以创造出先进、低成本且环境友善的材料,相关的研究结果被发表在2022年4月号的《小结构》上。

从海洋生物到先进材料

橡胶靴石鳖

上图所示的就是橡胶靴石鳖,一种以植物为食的无脊椎动物,人们咋一看容易把它误认为是一种红色的石头。它一般会吸附在石头上,并使用自己超硬的牙齿从沿海岩石中刮去并研磨藻类沉淀物。

橡胶靴石鳖牙齿之所以这么锋利,主要是因为牙齿里面含有丰富的磁铁矿。研究小组在研究中发现,这些牙齿实际上是由高度排列的磁性纳米棒构成的,这些纳米棒能够提供很高的强度和抗弯折性。

为了更好地了解这些磁性纳米棒是如何形成的,Kisailus和他的同事们利用纳米结构和化学方法对成熟早期阶段的橡胶靴石鳖牙齿进行了分析。发现在发育早期阶段,牙齿中预先组装的有机纤维材料(几丁质)通过一种高度有序的中晶氧化铁(即水合铁)引导这些纳米棒的形成。而在对中晶结构的进一步研究中,他们还发现一种常在半结晶聚合材料中发现的球状结构,研究人员确定正是这些粒子控制这些氧化铁粒子的形成和生长。

进一步分析表明,相对不稳定的氧化铁相铁水石最终通过剪切诱导相变转变为中晶磁铁矿(一种更稳定的磁性材料)。在完全成熟的齿中,通过奥斯特瓦尔德熟化,小颗粒溶解再沉积形成大颗粒,最终形成连续的超硬磁铁矿纳米棒。

由于这些超硬材料是在接近室温和温和的生理条件下合成的,因此相信了解它们的形成机理对制造低成本且环境友好的先进材料具有重要意义。

 

来源:phys.org

粉体圈编译

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