许多生物材料，如贝壳珍珠母、骨头和牙齿等，由简单的化学成分组成，通过构筑从纳米/微米到宏观尺度的复杂有序结构，实现了轻质、高强、高韧等优异性能。近年来，人们开发了多种方法来模仿生物材料的微观结构，以制备高性能仿生结构材料。冰模板法（定向冷冻法）是一种有效制备仿生结构材料的方法，因其将易于去除的冰晶作为模板，并具有微观结构可调控性强、原料适用范围广、可制备大尺寸材料等优势，受到了广泛的关注。将冰模板法应用于陶瓷、金属、碳材料、高分子等材料体系，已经制备出了具有导电、导热、电磁屏蔽、自修复等不同功能的高性能仿生结构材料，展示了广泛的应用前景。
在冰模板法中，冰晶在冷源表面成核并沿着温度梯度方向生长，所得多孔材料的结构简单地复制了冰晶的形态。因此，控制冰晶的成核和生长对多孔材料的结构和功能至关重要。通过调节降温速率、设计温度梯度、利用磁场诱导等方式可以在一定程度上控制冰晶的成核和生长。但是，这些方法还难以实现有效的结构调控，在结构有序度和材料加工尺寸方面，还无法满足对高性能仿生结构材料的设计和制备需求。
针对这一挑战，浙江大学柏浩课题组开发了一种新的结构调控方式。通过在二维的冷源表面设计浸润性梯度来调节冰晶的成核和生长（图1）。使用均匀浸润性表面进行冷冻，只得到了短程有序的片层结构（图1A-D）。使用具有线性浸润性梯度的表面进行冷冻，可以有效制备具有长程有序片层结构的三维多孔材料（图1E-F）。
图1. 表面浸润性对冰模板法得到的多孔材料结构的影响。
该团队通过对冷冻过程进行原位观察（视频1），提出了冷冻过程中表面的浸润性梯度对冰晶成核和生长的调控机理。
视频1. 基于均匀亲水表面和浸润性梯度表面进行冷冻时，冷冻过程的原位观察。
利用表面浸润性梯度丰富的可设计性，该团队尝试制备了一般方法难以实现的复杂有序结构。例如，使用具有垂直线性浸润性梯度和径向浸润性梯度的表面进行冷冻，可以分别得到交叉排列的片层结构和以同心圆方式排列的片层结构（图2）。通过上述多孔材料制备的仿生复合材料表现出了优异的力学性能。
图2. 表面浸润性梯度的可设计性展示。
该工作为通过冷源表面设计，调控冰模板法制备具有复杂有序结构和优异性能的仿生材料提供了新的可能。
以上成果发表在Science Advances (Sci. Adv. 2020, 6, eabb4712)上。浙江大学博士生赵妮芳和李萌为共同第一作者，柏浩研究员为通讯作者。
原文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eabb4712
课题组网站：
https://person.zju.edu.cn/bai/
来源：高分子科技
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