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顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-13 08:05

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对具有难以组合特性的材料的持续需求，推动了仿生和仿生（纳米）结构领域的巨大进步。这些材料混合了有序和无序，使得它们的结构难以描述，从而难以复制。

它们的实际设计涉及生物组织中发现的几何形状的近似复制，研究人员旨在使用各种人造分子和纳米级组件来实现所需的功能。

尽管这种方法成功开发了许多高性能纳米复合材料，但能源、水、健康和其他技术领域对越来越好的材料的需求迅速增长，使得加速设计过程、多维性能评估，以及向定量仿生学的转变成为必要。

2024年12月6日，吉林大学杨明教授、密歇根大学 Nicholas A. Kotov 院士在国际顶级期刊 Nature Reviews Materials 发表题为《Quantitative biomimetics of high-performance materials》的研究论文， 杨明教授 为论文第一作者兼通讯作者， Nicholas A. Kotov院士 为论文共同通讯作者之一。

杨明，吉林大学化学学院教授，国家级“四青人才”。2003年、2008年在吉林大学获得学士和博士学位。2009-2012年在美国密歇根大学从事博士后研究；2013年以教授一职受聘于哈尔滨工业大学；2018年担任美国加州大学尔湾分校研究员；2018-2019年在美国密歇根大学安娜堡分校作访问学者；2019年加入吉林大学。

杨明教授的研究方向为仿生结构与功能材料。

在这个视角中，研究人员从界面化学和物理学的角度来设计复杂的仿生材料。通过分析生物复合材料的典型例子及其成功的复制，作者提出了一个基于泰勒级数和属性微分的框架，以量化它们的相互依赖性。作者考虑了五种特定情况来限制泰勒展开中的叉积，包括界面上微分的不连续性和组织的多个尺度。

作者还讨论了理论、模拟和机器学习的整合如何成为定量仿生学发展的核心。这种方法将通过利用具有高体积界面密度的材料、复杂结构的图论描述和分层多尺度架构来实现逆向特性的n维优化。

图1：属性相关性。 a , 热属性与电属性之间的双向相关性。 b , 断裂韧性、杨氏模量和密度之间的三向相关性和三维属性图。

图2：界面作为降低材料属性相关性的工具。 a , 典型人造珍珠层材料中软硬材料界面间不连续性的示意图。 b, 砖石结构的珍珠的扫描电子显微镜图像。 c, 人类（智人）牙齿珐琅质的横截面的扫描电子显微镜图像。

图3：具有丰富界面的仿生纳米复合材料。 a , 聚乙烯醇/蒙脱土粘土多层结构的横截面扫描电子显微镜图像。 b , 合成珍珠层下偏振光下的方解石层的光学显微图像。 c , 具有长程螺旋排列的纤维素纳米晶体。 d , 使用ZnO纳米线构建非生物珐琅质的示意图。 e , 由于纳米片在应力场中的自组装，可以3D打印出层压骨单位的同心胶合板结构。

图4：定量仿生的理论方法。 a , 聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）界面间作用力的分子动力学模拟。 b , 用于研究珍珠层材料破坏模式的砖石结构微观力学模型。 c , 生成数据和机器学习（ML）模型开发程序，用于设计仿生的砖石结构复合材料。

图5：用于纳米纤维的复杂复合材料的图论模型和描述符。 a和d , 软骨中胶原纳米纤维网络的扫描电子显微镜（SEM）图像（部分a）

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