大熊貓最喜歡吃什么？竹子。是的，熊貓99%的食物就是竹子。不過(guò)，竹子很堅(jiān)硬，那大熊貓們的牙……還好么？

別擔(dān)心，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室劉增乾博士研究團(tuán)隊(duì)最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，大熊貓的牙齒，是可以自動(dòng)修復(fù)的！

牙齒自修復(fù)，牙釉質(zhì)組織的排列組合很重要

大熊貓是動(dòng)物界中牙尖齒利的典型代表。對(duì)于大熊貓來(lái)說(shuō)，牙齒不僅是咀嚼食物的工具，也是天生的進(jìn)攻防衛(wèi)武器。

大熊貓的牙齒是怎么實(shí)現(xiàn)自修復(fù)過(guò)程呢？

在微觀尺度上，大熊貓的牙釉質(zhì)具有密度非常高且富含有機(jī)質(zhì)的界面，同時(shí)，牙釉質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常巧妙。組成牙釉質(zhì)的無(wú)機(jī)礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規(guī)則排列，而礦物之間的界面以天然有機(jī)質(zhì)填充，如圖1所示。

圖1 大熊貓牙釉質(zhì)微納米尺度組織結(jié)構(gòu)及其自修復(fù)效應(yīng)與微觀機(jī)制

當(dāng)牙釉質(zhì)在微納米尺度發(fā)生損傷時(shí)，它的微觀外形和組織結(jié)構(gòu)會(huì)在這些界面有機(jī)質(zhì)的作用下逐漸恢復(fù)到損傷前的狀態(tài)，從而幫助牙釉質(zhì)發(fā)生自動(dòng)修復(fù)。

在這個(gè)過(guò)程中，一種神奇的物質(zhì)——水分子，能夠?qū)ψ孕迯?fù)效應(yīng)起到顯著的促進(jìn)作用。這是因?yàn)?，牙釉質(zhì)界面中的天然有機(jī)質(zhì)在水合條件下會(huì)發(fā)生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低等轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)了牙釉質(zhì)的修復(fù)。

也就是說(shuō)，水分子的作用是讓牙釉質(zhì)界面中的天然有機(jī)質(zhì)變得更加活躍，從而起到更好的加速自修復(fù)的作用。

仿生設(shè)計(jì)新思路：設(shè)計(jì)并控制微觀組織結(jié)構(gòu)的方向

根據(jù)大熊貓牙釉質(zhì)自修復(fù)的原理，科研人員提煉出了仿生設(shè)計(jì)的新思路，就是通過(guò)設(shè)計(jì)并控制微觀組織結(jié)構(gòu)的方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的剛度、強(qiáng)度和韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。

同時(shí)，科研人員首次發(fā)現(xiàn)，材料在加載過(guò)程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。

圖2 材料通過(guò)微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)綜合力學(xué)性能的全面同步提升（自然界中的木材、骨骼、魚鱗等天然材料在受力時(shí)，它們的微觀組織結(jié)構(gòu)方向會(huì)發(fā)生調(diào)整，受此啟發(fā)，科研人員提煉出了通過(guò)微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)抗拉又抗壓的材料設(shè)計(jì)原則）

通過(guò)調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強(qiáng)度逐步提高，同時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強(qiáng)；而在壓縮條件下，材料的力學(xué)穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢(shì)。

因此，材料可以利用有限的變形實(shí)現(xiàn)其剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。

未來(lái)仿生材料發(fā)展

針對(duì)自然界長(zhǎng)期“軍備競(jìng)賽”形成的主要用作武器的天然生物材料，科研人員闡明了其主要的種類、形式與組織結(jié)構(gòu)特征，從材料科學(xué)與力學(xué)角度揭示了其同步實(shí)現(xiàn)進(jìn)攻與防護(hù)效果的性能優(yōu)化機(jī)理。

科研人員還還提煉了共性的仿生材料設(shè)計(jì)原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結(jié)構(gòu)的多尺度設(shè)計(jì)、與局部應(yīng)力狀態(tài)相匹配的空間梯度設(shè)計(jì)、自適應(yīng)與自修復(fù)功能設(shè)計(jì)，以及配套與支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

目前，該研究組正致力于利用上述原則設(shè)計(jì)研發(fā)新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生復(fù)合義齒材料、高強(qiáng)高導(dǎo)電接觸材料等方面取得了新進(jìn)展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。