自然界中有诸多集各种优越性能于一体的复合材料，牙釉质无疑是大自然中最耀眼的一种，它既坚硬又有足够的韧性，能很好的应对外界冲击。尽管我们的骨骼，昆虫的外骨骼，以及贝壳都表现出这种优良的性能，但是它们之间的纳米结构相差较大。巧合的是，人类、海胆、恐龙和海象牙釉质的纳米结构却十分相似，甚至连章鱼的喙也有类似结构：整齐的釉柱间渗透着蛋白质基质（图1）。牙釉质在不同生物中的保守进化说明了这个结构确实不错。若能发开出一种与牙釉质性能相似的材料，将必定在生物医学和航空航天领域大放异彩。

图1 生物复合材料中的柱状结构（Columnar motifs） 图片来源：Nature

a. 人类牙齿牙釉质(Homo sapiens) b.章鱼的喙（Octopus vulgaris）c.古代海象牙齿牙釉质（Odobenidae family） d. 霸王龙牙齿牙釉质（Tyrannosaurus rex）

美国密歇根大学（University of Michigan）的Nicholas A. Kotov研究团队日前在《Nature》报道了一种高性能人工复合材料的制备方法，该材料的结构和机械性能与天然牙釉质相似。研究人员首先用水热法在晶片上沉积ZnO纳米线，然后通过聚丙烯胺（PAAm）和聚丙烯酸（PAA）逐层（LBL）沉积吸附到ZnO表面（图2b）。随着ZnO纳米线间的所有空隙被填满，聚电解质（polyelectrolytes）在ZnO顶部产生一层亲水层，继而在顶层可以沉积新的ZnO纳米颗粒，如此往复（图2c），便得到了一种与牙釉质结构类似的材料（ZnO / LBL）n（其中n是ZnO纳米线和PAAm / PAA LBL基质沉积的循环数，图3）。

图2 （ZnO / LBL）n材料制备和结构示意图 图片来源：Nature

图3 （ZnO / LBL）n电镜图 图片来源：Nature

最后，研究人员对（ZnO / LBL）n纳米复合材料的性能进行了探索，静态纳米压痕测试表明67%无机物含量的（ZnO / LBL）5与85%无机物含量的牙釉质硬度相当。粘弹性品质因数（VFOM）用以表述材料对振动损伤的抗性，值越大，抗性越好，（ZnO / LBL）n的VFOM超过传统材料极限0.6，与牙釉质VFOM相当，甚至更高。（ZnO / LBL）n的密度也比其它生物或制造的粘弹性材料更低。总的来说，该材料具有高强度、高阻尼、低密度诸多优点。

研究人员非常期此方法能在所有柱状复合材料的合成中应用，以此促进高性能承重材料领域的发展。

参考文献

Yeom, B.; Sain, T.; Lacevic, N.; Bukharina, D.; Cha, S.-H.; Waas, A. M.; Arruda, E. M.; Kotov, N. A., Abiotic tooth enamel. Nature 2017, 543 (7643), 95-98.