天然贝壳卓越的韧性放大因子为制备高性能纳米复合材料带来了仿生启示：规整层状有序结构和丰富界面作用。受此启发，研究人员采用具有本征高力学性能的二维纳米材料如氧化铝，氧化石墨烯，MXene，蒙脱土等作为组装基元，开发多种组装策略制备出具有高断裂韧性的仿贝壳层状块体纳米复合材料。值得注意的是，在组装过程中，毛细收缩使纳米材料发生褶皱，产生孔隙缺陷，或界面相互作用弱，这极大地降低了应力传递效率，导致仿贝壳纳米复合材料的韧性放大因子仍然远低于天然贝壳。近年来，限域组装策略表明限域空间能够促进片层取向、限制聚合物链运动、增强界面能相互作用以及降低孔隙率，从而有效提升了纳米复合材料的力学性能。

  基于此，中国科学技术大学程群峰教授课题组提出刮涂和热压相结合策略在文石片层间构筑限域空间，通过聚乙烯醇和碳纳米管双氢键网络界面桥接制备超韧导电人造贝壳。所制备的人造贝壳的比断裂韧性和韧性放大因子分别为11.2 MPa m^1/2/(Mg m^-3)和100.5，超越天然贝壳和已报道的其他仿贝壳纳米复合材料。此外，人造贝壳在高/低温处理后展现出优异的力学性能稳定性，其韧性放大因子保持率大于88%。人造贝壳因其优异的电导率，兼具自监测功能和电磁屏蔽性能。

  2026年8月9日，相关工作以“Ultratough Confined Conductive Artificial Nacre”发表在《Advanced Functional Materials》上。

  首先从天然贝壳中剥离文石片并将其作为组装基元，通过碱/尿素体系去除天然贝壳珍珠层之间的聚合物，从而获得了横向尺寸为~6.6 mm、厚度为~350 nm的片层。并利用氢键将其与聚乙烯醇和碳纳米管复合，进一步通过刮涂、裁剪、堆叠、润湿和热压制备人造贝壳。人造贝壳呈现出层状的“砖-泥”结构和阶梯状结构，与天然贝壳极其相似。值得注意的是，人造贝壳的层间呈现出丰富的碳纳米管缠结网络结构。人造贝壳的韧性放大因子高达100.5，是天然贝壳的2.5倍，且远优于已报道的仿贝壳块体纳米复合材料。

图1. 人造贝壳的制备及表征

  通过三点弯曲测试系统研究了块体纳米复合材料的力学性能。人造贝壳的弯曲强度和断裂韧性分别为239.9 MPa和20.1 MPa m^1/2，均优于天然贝壳、文石片-聚乙烯醇块体（APP块体）以及共混块体。这些结果表明，通过设计氢键作用、碳纳米管缠结网络和层状“砖-泥”结构有效地提高了纳米复合材料的应力传递效率。由于人造贝壳的密度仅为天然贝壳的68%，其比强度和比韧性高于大部分传统工程材料。此外，经高低温条件下处理后，人造贝壳的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性仍能保持在室温水平的88%以上，表明人造贝壳具有出色的力学性能稳定性。

图2. 力学性能对比

  通过断裂形貌和理论模拟揭示了人造贝壳的多尺度外在增韧机制。人造贝壳中从缺口处萌生后沿典型的“Z”字形路径发生显著偏转，同时在裂纹扩展过程中，伴随着文石片的拔出、裂纹支化以及碳纳米管桥接，这有效分散了裂纹尖端的应力集中效应，阻止裂纹进一步扩展。进一步，从人造贝壳的断裂形貌可以观察到边缘的碳纳米管卷曲且聚合物附着在文石片表面，这表明文石片与碳纳米管、聚乙烯醇之间的氢键相互作用在裂纹扩展时有效地传递了应力。有限元模拟显示人造贝壳在渐进式界面失效过程中，裂纹尖端发生显著偏转。随着界面失效进一步扩展，裂纹尖端产生裂纹分支和文石片拔出等现象。此外，从纳米级模型结构获得的弯曲应力-应变曲线与人造贝壳的实验曲线高度吻合，这表明通过限域组装策略，上述增韧机制已成功应用于人造贝壳中，从而显著增强了其可靠性和损伤耐受性。

图3. 人造贝壳的增韧机制

  除了出色的力学性能，人造贝壳还因层间碳纳米管缠结网络的形成而具有优异的电导率，使其能够实时监测和预警裂纹的萌生和扩展，并在8.2-12.4 GHz范围内具有60.3 dB的电磁屏蔽性能，高于商业标准的20 dB。在摆锤冲击试验中，人造贝壳的抗冲击性能优于APP块体和共混块体。经冲击、低温和高温处理后，人造贝壳的电磁屏蔽性能与室温下的人造贝壳基本持平。相比于其他块体材料，人造贝壳不仅具有优异的力学性能还具有优异的比电磁屏蔽性能，因而在交通运输和航空航天工程等领域具有广阔的应用前景。

图4. 人造贝壳的自监测、电磁屏蔽以及抗冲击性能

  该研究通过刮涂和层压策略在文石片层间构筑限域空间，利用聚乙烯醇和碳纳米管双氢键网络界面桥接文石片制备出一种超韧导电人造贝壳。人造贝壳展现出卓越的比韧性、韧性放大因子和极端温度力学稳定性，还兼具优异的结构完整性自监测功能和电磁屏蔽性能。这项工作提出的限域组装策略为在仿贝壳块体纳米复合材料中发挥贝壳韧性放大因子提供了新思路。

  该工作得到得到中国科大苏州高等研究院和仿生界面材料科学全国重点实验室等平台的大力支持。该工作还得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目（52550002）、国家杰出青年科学基金（52125302）、科技部重点研发计划（2021YFA0715700）、国家资助博士后研究人员计划（GZB20250931）、中国博士后科学基金面上项目（2025M784263）、苏州实验室开放课题基金（SZLAB-1108-2024-ZD002）以及科学探索奖等项目的资助。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77573