控制高性能生物启发材料在梯度可湿性表面上的

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

冰模板技术是一种强大的技术，可以利用冰的成核作用和生长来构造生物材料以获得冷冻的材料结构，但是科学家一直无法通过有效的方法来控制这两个因素。在最新的《科学进展》报告中，赵妮芳和中国浙江大学化学与生物工程学的科学家团队通过在冷手指上引入可湿性梯度，证明了冰的连续成核和优先生长。(用于生成局部冷表面的实验室设备)。这项工作强调了利用表面可湿性图案的丰富设计能力，以具有生物启发性的复杂结构来设计高性能散装材料的能力。

在实验室中开发受生物启发的材料

长期以来，基于自然，骨骼和牙齿的生物启发材料一直是开发高性能结构材料的灵感来源。生物材料可以实现出色的机械性能，从而在纳米/微观和宏观水平上构建复杂的层次结构。例如，生物工程师过去已经开发出各种方法来工程化珍珠母(软体动物壳的虹彩层)-模拟复合材料，包括冷冻浇铸和三维(3-D)打印。冻结浇铸，也称为冰封模板技术，是一种功能强大的技术，具有精确的建筑控制，低成本和多功能性，可设计出高性能的珍珠仿复合材料并组装各种积木。在此过程中，冰晶可以在寒冷的表面上成核，并沿着温度梯度沿首选方向生长，团队可以控制影响该过程的因素，以模拟所得多孔材料的结构。赵等。因此通过调节或控制表面的润湿性而专注于表面工程。为此，他们引入了润湿梯度来控制冰在冷表面上的形核和生长。这项工作表明了表面润湿性如何允许采用仿生复杂结构设计散装材料。

作为概念验证，该团队使用了羟基磷灰石(HA)颗粒的水性浆料，并比较了具有不同润湿性的表面上的冷冻浇铸工艺，以观察所得的实验微观结构。在传统的冷冻铸造过程中，浆料与未改性的均质亲水性铜基材直接接触。冷却后，研究小组产生了垂直温度梯度，以引导冰晶从底部到顶部的优先生长。由于铜基体的亲水性(憎水性)，冰的形核同时在整个表面上发生，Zhao等人。使用扫描电子显微镜观察(SEM)。然后，他们在疏水铜表面上重复了相同的冷冻浇铸过程。尽管冰的成核速率在疏水表面上如预期的那样延迟，但是该过程在整个材料上随机发生。基于相同的想法，科学家设计了更复杂的冷冻浇铸图案，包括通过编程浸涂改变硅烷与铜(简称POTS)的铜表面以改变表面水的接触角和润湿性。

观察冻结过程并提出冻结机制

赵等。使用光学显微镜观察了冷冻浇铸过程。在实验过程中，他们将Teflon模具密封到铜基板上，并将含有20%HA颗粒的浆液倒入模具中，以观察冰晶从亲水区域到疏水区域的形核。他们将这种现象归因于表面润湿性引起的成核速率，并研究了包括冷冻速度和颗粒浓度在内的润湿性梯度对微观结构的影响。

开发高性能仿珍珠质复合材料并测试其机械性能

科学家将含有长距离排列的层状结构的HA支架与聚合物材料烧结并复合，以生成高性能的仿珍珠质复合材料。微观计算机断层扫描证实，定向良好的结构模仿了天然珍珠质的砖混结构。赵等。在整个冷冻铸造过程中保持颗粒浓度和冰的生长速度，以获得具有均匀结构的大尺寸样品。

为了检测最终结构的机械性能，研究小组比较了通过在梯度和均质表面上进行冷冻铸造而开发的HA /聚合物复合材料的弯曲性能。珍珠母模拟复合物的机械性能优于在均质疏水或亲水表面上制备的那些。这项工作表明了长距离层状结构的优势，并证明了在梯度表面上进行冷冻浇铸是形成高性能仿珍珠质复合材料的有效方法。

该团队还展示了通过在包含双层线性润湿性梯度和径向润湿性梯度的铜表面上进行冷冻浇铸来设计表面润湿性图案的能力。他们获得了具有交叉排列和圆形层状图案的两个代表性结构，这是传统的冷冻浇铸技术以前不可能做到的。赵等。然后分析了复合材料的机械性能以了解其性能，结果证实了利用表面可湿性图案的丰富设计能力来构建具有复杂生物启发结构的高性能散装材料的可能性。

Nifang Zhao及其同事以这种方式展示了如何通过在寒冷表面上引入可湿性梯度来控制冰晶的取向和所得多孔材料的结构，从而控制冰的成核和生长。使用该概念，他们获得了长距离排列的层状结构，并渗透到多孔支架中，从而生成了具有优异强度和韧性的高性能块状珍珠母复合材料。这项工作强调了表面润湿性的潜力及其丰富的可设计性，可为具有生物灵感的复杂建筑构建高性能的图案。