先進結構材料已在航空航天、建筑和汽車制造等領域得到了廣泛應用，其性能需同時滿足輕質、高強度以及優異的韌性。通過模仿珍珠母高度有序的“磚-泥”結構并引入礦物橋增強機制，可制備出兼具強度與韌性的高性能仿生結構材料。隨著多功能應用需求的日益增長，這些材料還需具備其他功能以適應復雜的環境變化。例如，在某些易燃場景中，失控火災產生的高溫可能會顯著削弱結構材料的機械性能，從而增加設備故障或結構坍塌的風險。然而，仿生復合材料中有機成分固有的熱穩定性限制了其整體高溫性能。為應對這一挑戰，通常需要引入火災報警和阻燃系統，但系統的復雜性增加將會影響其可靠性。因此，開發兼具主動早期火災預警和被動阻燃的多功能結構材料具有重要的實際意義。
 

　　近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了一種將原子摻雜設計與仿生結構設計相結合的策略，制備出具有機械魯棒性、熱致變色特性和阻燃功能的仿珍珠母氧化鋁-氰酸酯復合材料。相關成果以“A nacre-inspired structural material with thermochromic properties and mechanical robustness by atomic-level design”為題發表于《國家科學評論》(National Science Review)。中國科學技術大學博士研究生龐俊、博士后王澤宇和博士生宋濤為論文共同第一作者，俞書宏為通訊作者。
 

圖1.原子級摻雜策略與仿生復合材料制備示意圖。
 

　　研究團隊通過可控的固溶反應合成了鉻摻雜的氧化鋁微米片，并將其作為仿珍珠母結構中的“磚”(圖1和圖2a-c)。這些微米級組裝基元表現出獨特的可逆熱致變色特性。同時，該原子級摻雜策略同步實現了固溶強化效應，與仿珍珠母多級結構設計協同作用(圖1)，使仿生復合材料具有高彎曲強度(~290.1MPs)和高斷裂韌性(~11.1MPa m1/2)的機械性能(圖2d)。通過基于機器學習的K-means模型的圖像識別技術，仿生復合材料在250℃時的響應時間為9秒，適用于早期火災預警(圖2e)。此外，高度有序的“磚-泥”結構有效阻礙了氧氣的傳導，實現了50%的極限氧指數，從而賦予了仿生復合材料優異的阻燃性能(圖2e)。該仿生復合材料在保持優異機械性能的基礎上，通過集成早期火災主動預警與被動式阻燃雙重功能，構建了主動-被動協同防護體系，從而使其成為兼具結構承載與智能防護功能的多功能材料，在智能火災預警系統領域展現出廣闊應用前景。
 

　　圖2.(a)氧化鋁微米片截面透射電鏡元素分布圖；(b)聚焦離子束技術沿著(006)晶面對鉻摻雜的氧化鋁微米片進行精確加工；(c)鉻摻雜的氧化鋁微米片原子級透射電鏡元素分布圖；(d)仿生復合材料機械性能的Ashby圖；(e)仿生復合材料的主動早期火災預警與被動防火阻燃功能示意圖。

 

　　這項工作展示了結構設計與功能設計的有效結合，實現了主動早期火災預警和被動阻燃協同作用機制，為復雜惡劣環境下新一代智能火災預警系統的高性能結構材料開發提供了一種嶄新的途徑。
 

　　該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金重大項目、安徽省重大基礎研究項目以及新基石研究員項目等資助。