大熊猫最喜欢吃什么？竹子。是的，熊猫99%的食物就是竹子。不过，竹子很坚硬，那大熊猫们的牙……还好么？
别担心，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室刘增乾博士研究团队最新的一项研究发现，大熊猫的牙齿，是可以自动修复的！
牙齿自修复，牙釉质组织的排列组合很重要
大熊猫是动物界中牙尖齿利的典型代表。对于大熊猫来说，牙齿不仅是咀嚼食物的工具，也是天生的进攻防卫武器。
大熊猫的牙齿是怎么实现自修复过程呢？
在微观尺度上，大熊猫的牙釉质具有密度非常高且富含有机质的界面，同时，牙釉质的组织结构设计非常巧妙。组成牙釉质的无机矿物单元在微纳米尺度均沿咬合方向规则排列，而矿物之间的界面以天然有机质填充，如图1所示。
图1 大熊猫牙釉质微纳米尺度组织结构及其自修复效应与微观机制
当牙釉质在微纳米尺度发生损伤时，它的微观外形和组织结构会在这些界面有机质的作用下逐渐恢复到损伤前的状态，从而帮助牙釉质发生自动修复。
在这个过程中，一种神奇的物质——水分子，能够对自修复效应起到显著的促进作用。这是因为，牙釉质界面中的天然有机质在水合条件下会发生溶胀、高分子链柔性提高、玻璃化转变温度降低等转变，从而促进了牙釉质的修复。
也就是说，水分子的作用是让牙釉质界面中的天然有机质变得更加活跃，从而起到更好的加速自修复的作用。
仿生设计新思路：设计并控制微观组织结构的方向
根据大熊猫牙釉质自修复的原理，科研人员提炼出了仿生设计的新思路，就是通过设计并控制微观组织结构的方向，来实现材料的刚度、强度和韧性的优化分布与相互匹配，从而提高材料整体的力学性能。
同时，科研人员首次发现，材料在加载过程中发生的组织结构再取向不仅可以提高其变形能力，更能够为实现综合力学性能的改善提供有效的途径，如图2所示。
图2 材料通过微观组织结构再取向实现综合力学性能的全面同步提升（自然界中的木材、骨骼、鱼鳞等天然材料在受力时，它们的微观组织结构方向会发生调整，受此启发，科研人员提炼出了通过微观组织结构再取向实现抗拉又抗压的材料设计原则）
通过调整自身的组织结构与所受外力之间的取向关系，材料在拉伸条件下的刚度和强度逐步提高，同时裂纹扩展路径逐渐偏离最大正应力方向，因而断裂韧性得以同步增强；而在压缩条件下，材料的力学稳定性与劈裂韧性也表现出同步增大的趋势。
因此，材料可以利用有限的变形实现其刚度、强度、稳定性与断裂韧性的全面提升，而这些性能本身则往往体现出相互制约的关系。
未来仿生材料发展
针对自然界长期“军备竞赛”形成的主要用作武器的天然生物材料，科研人员阐明了其主要的种类、形式与组织结构特征，从材料科学与力学角度揭示了其同步实现进攻与防护效果的性能优化机理。
科研人员还还提炼了共性的仿生材料设计原则，包括从宏观外形与尺寸到微纳米组织结构的多尺度设计、与局部应力状态相匹配的空间梯度设计、自适应与自修复功能设计，以及配套与支撑系统设计等。
目前，该研究组正致力于利用上述原则设计研发新型的仿生材料，并且在人牙匹配型仿生复合义齿材料、高强高导电接触材料等方面取得了新进展，有望显著提升材料的性能和使用效果，更好地满足实际应用需求。
来源：中国科学院金属研究所
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