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對具有難以組合特性的材料的持續(xù)需求，推動了仿生和仿生（納米）結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的巨大進步。這些材料混合了有序和無序，使得它們的結(jié)構(gòu)難以描述，從而難以復制。

它們的實際設(shè)計涉及生物組織中發(fā)現(xiàn)的幾何形狀的近似復制，研究人員旨在使用各種人造分子和納米級組件來實現(xiàn)所需的功能。

盡管這種方法成功開發(fā)了許多高性能納米復合材料，但能源、水、健康和其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)υ絹碓胶玫牟牧系男枨笱杆僭鲩L，使得加速設(shè)計過程、多維性能評估，以及向定量仿生學的轉(zhuǎn)變成為必要。

2024年12月6日，吉林大學楊明教授、密歇根大學Nicholas A. Kotov院士在國際頂級期刊Nature Reviews Materials發(fā)表題為《Quantitative biomimetics of high-performance materials》的研究論文，楊明教授為論文第一作者兼通訊作者，Nicholas A. Kotov院士為論文共同通訊作者之一。

作者僅2人！他，輾轉(zhuǎn)多次終回母校、「國家四青人才」，聯(lián)合兩院院士，新發(fā)Nature大子刊！

楊明，吉林大學化學學院教授，國家級“四青人才”。2003年、2008年在吉林大學獲得學士和博士學位。2009-2012年在美國密歇根大學從事博士后研究；2013年以教授一職受聘于哈爾濱工業(yè)大學；2018年擔任美國加州大學爾灣分校研究員；2018-2019年在美國密歇根大學安娜堡分校作訪問學者；2019年加入吉林大學。

楊明教授的研究方向為仿生結(jié)構(gòu)與功能材料。

在這個視角中，研究人員從界面化學和物理學的角度來設(shè)計復雜的仿生材料。通過分析生物復合材料的典型例子及其成功的復制，作者提出了一個基于泰勒級數(shù)和屬性微分的框架，以量化它們的相互依賴性。作者考慮了五種特定情況來限制泰勒展開中的叉積，包括界面上微分的不連續(xù)性和組織的多個尺度。

作者還討論了理論、模擬和機器學習的整合如何成為定量仿生學發(fā)展的核心。這種方法將通過利用具有高體積界面密度的材料、復雜結(jié)構(gòu)的圖論描述和分層多尺度架構(gòu)來實現(xiàn)逆向特性的n維優(yōu)化。

圖1：屬性相關(guān)性。a, 熱屬性與電屬性之間的雙向相關(guān)性。b, 斷裂韌性、楊氏模量和密度之間的三向相關(guān)性和三維屬性圖。

圖2：界面作為降低材料屬性相關(guān)性的工具。a,?典型人造珍珠層材料中軟硬材料界面間不連續(xù)性的示意圖。b,?磚石結(jié)構(gòu)的珍珠的掃描電子顯微鏡圖像。c,?人類（智人）牙齒琺瑯質(zhì)的橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。

圖3：具有豐富界面的仿生納米復合材料。a, 聚乙烯醇/蒙脫土粘土多層結(jié)構(gòu)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。b, 合成珍珠層下偏振光下的方解石層的光學顯微圖像。c, 具有長程螺旋排列的纖維素納米晶體。d, 使用ZnO納米線構(gòu)建非生物琺瑯質(zhì)的示意圖。e, 由于納米片在應力場中的自組裝，可以3D打印出層壓骨單位的同心膠合板結(jié)構(gòu)。

圖4：定量仿生的理論方法。a, 聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）界面間作用力的分子動力學模擬。b, 用于研究珍珠層材料破壞模式的磚石結(jié)構(gòu)微觀力學模型。c,?生成數(shù)據(jù)和機器學習（ML）模型開發(fā)程序，用于設(shè)計仿生的磚石結(jié)構(gòu)復合材料。

圖5：用于納米纖維的復雜復合材料的圖論模型和描述符。a和d, 軟骨中膠原納米纖維網(wǎng)絡(luò)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（部分a）及其G(n,e)模型（部分d）。b和e, 芳綸納米纖維網(wǎng)絡(luò)的SEM圖像（部分b）及其G(n,e)模型（部分e）。c和f, 金納米線網(wǎng)絡(luò)的SEM圖像（部分c）及其G(n,e)模型（部分f）。在圖論表示的部分d-f中，節(jié)點由藍色點表示，邊緣由紅線表示。

綜上，這篇論文探討了高性能仿生材料的定量仿生學，提出了一個基于泰勒級數(shù)和屬性微分的框架，以量化生物復合材料及其復制物之間的相互依賴性。這項研究能夠通過理論、模擬和機器學習的整合，實現(xiàn)對立屬性的多維優(yōu)化，對于設(shè)計和制造具有復雜結(jié)構(gòu)和多功能性的新型材料具有重要意義。

它為仿生材料的設(shè)計提供了一個量化的方法論，有助于加速新材料的設(shè)計過程，提高材料性能的多維評估，并可能推動能源、水處理、健康技術(shù)等領(lǐng)域的材料科學發(fā)展。未來有望應用于包括開發(fā)具有優(yōu)異機械、光學、化學和物理性能的新型納米復合材料，以及在生物醫(yī)學植入物和人工組織工程等領(lǐng)域中。

Yang, M., Kotov, N.A. Quantitative biomimetics of high-performance materials.?Nat. Rev. Mater.,?(2024).?

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