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Chen K, Shi B, Yue Y H, et al. Binary synergy strengthening and toughening of bio-inspired nacre-like graphene oxide/sodium alginate composite paper [J]. ACS Nano, 2015, 9(8): 8165-8175.
高强度高韧性仿珍珠母层状GO/SA复合材料取得重要进展
高强度高韧性复合材料一直是材料科学研究的热点问题。近几年来，一些复杂的异质生物材料，如纤维素组织(木材，竹子)、胶原蛋白组织(腱，韧带)、矿化组织(骨骼，贝壳)引起了科学家极大的兴趣。这种关注不仅在于它们质量轻和力学性能优异，更重要的是通过模仿其异质微观结构，研究人员能够实现制备高性能复合新材料。北京航空航天大学仿生界面材料教育部重点实验室郭林课题组受天然珍珠母“砖-泥”层状异质材料优秀力学性能的启发(应力σ=80～150 MPa，杨氏模量E=50～70 GPa，断裂功W=1.8 MJ/m3)，引入二维氧化石墨烯片(GO)和海藻酸钠盐(SA)大分子生物共聚物，基于分子间作用力(氢键)，形成GO/SA异质结构单元，进一步通过机械组装(真空抽滤)，成功制备出高强度，高韧性层状复合薄膜材料。该文发表在《ACS Nano》2015年第8期。
论文介绍了仿珍珠母层状GO/SA复合材料的构建思路和组装制备过程，从分子设计角度来讲，该过程能够实现仿珍珠母的“砖-泥”层状异质结构(见图1)。系列表征结果表明：GO/SA复合薄膜均匀，层状结构整齐而清晰，单层GO纳米片整齐的嵌入到SA基体中，GO纳米片和SA分子间存在着强的氢键和分子间作用力。
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| 图 1 仿珍珠母层状的复合薄膜材料的形貌和异质结构单元 |
不同条件下复合材料的拉伸力学性能测试结果见图2和图3：拉伸强度σ=(272.3±13.9) MPa，是天然贝壳材料的2～3倍，是骨骼和牙本质的2倍；断裂功J=(18.1±0.6) MJ/m3，是上述生物材料的7～10倍，杨氏模量也有了一定程度的提高。
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| 图 2 GO/SA复合材料的应力-应变曲线 |
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| 图 3 天然矿化生物和GO/SA的力学性能 |
作者指出由于该仿生复合材料高强度、高韧性，无毒无害，生物相容性好，在食品包装、生物传感器件、保护分子涂层和制药等多个领域具有潜在的应用前景。