北航新闻网10月1日电（航宣）2026年10月1日，国际顶级学术期刊《Science》以Research Article形式发表了北京航空航天大学刘明杰教授团队在生物材料高强高韧机制与仿生纳米复合材料领域的最新研究进展。论文题为“Hierarchical Crystalline Organic-Inorganic Framework Enabling High-Modulus Toughening in Nacre”。该研究以天然贝壳珍珠层为研究对象，从分子-微纳-宏观跨尺度出发，发现了无机相限域生物分子的晶态组织及多级次晶态有机-无机框架结构（Crystalline Organic–Inorganic Framework, COIF），揭示了其通过临界滑移长度和纳米钉扎实现高模量、高强度与高韧性协同的力学机制，并进一步将这一结构原理应用于再生珍珠层材料的设计，为突破传统复合材料中刚度与韧性难以兼顾的设计瓶颈提供了新的材料设计思路。陈航博士后为第一作者，刘明杰教授为通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。

天然贝壳珍珠层始终是仿生材料设计的经典范本。自其“砖泥”结构被发现以来，相关研究大多遵循“从自然到人工”的路径，即解析其微纳组织特征，并以此指导人工材料设计。然而，经典“砖泥”模型主要关注微米尺度文石片层与层间有机基质的组织关系，对于更深层次的纳米尺度有机–无机组织及其精细组装特征，仍缺乏深入认识。研究团队前期在人工合成体系中的探索，为重新审视这一经典天然结构提供了新的思路。2020年，团队在《Nature》发表研究成果，发现二维无机材料能够通过纳米空间限域调控高分子结晶与结构有序性。这一发现为解析珍珠层提供了新的研究视角：如果人工二维无机材料能够限域高分子结晶，那么在经过数亿年生物矿化演化形成的珍珠层中，无机碳酸钙是否也可能通过类似的纳米限域作用，诱导或稳定其中的生物分子形成晶态结构？由此，研究团队将研究方向从传统的“由自然到人工”进一步转向“由人工到自然”，重新审视珍珠层内部的纳米尺度组织。

通过高分辨透射电子显微镜及多尺度结构表征，研究团队在珍珠层内部发现了受无机相纳米限域的生物分子晶体，并由此揭示了不同于传统“砖泥”模型的晶态有机–无机组织方式。具体而言，宽约30纳米的文石纳米棒与厚度约5纳米的纳米限域生物分子晶体相互交织，形成具有跨尺度的多级次特征的晶态有机–无机框架。这一发现拓展了传统“砖泥”模型对珍珠层结构的认识，为揭示其多级次组织结构与优异力学性能之间的内在联系，以及高模量、高强度与高韧性协同的结构起源，提供了关键的微观结构证据。

科技飞速迭代背景下，先进复合材料是高端装备创新发展的核心基石。航空航天、高载荷力学器件等领域对材料高强、高韧、高稳定的需求持续攀升，具备多级跨尺度结构、力学性能协同可控的仿生纳米复合材料，已成为新材料领域的研究热点。其微观结构可控、轻量化、高损伤容限性的突出优势，完美适配高端材料集成应用需求。与此同时，该材料兼具结构-力学-功能多场耦合效应，可有效缓解极端服役环境中的应力集中与结构形变，为装备长周期安全运行提供保障，可用于开发高强防护构件与抗疲劳器件。除此之外，仿生纳米复合材料在结构防护、抗冲击构件、轻量化承载部件等力学相关领域展现出巨大应用潜力，具备重要的科学研究价值与工程应用前景。

生物矿化体系蕴藏着大量大自然历经亿万年演化形成的精妙结构设计准则，为解决人工结构材料中长期存在的力学性能权衡难题开辟了独特途径。不同于传统人工复合材料依靠单一软相耗能的增韧思路，本次研究所揭示的 COIF 结构，利用纳米限域生物分子晶体实现多尺度应力调控。该全新结构设计理念跳出现有仿生材料的制备范式，为下一代兼顾高模量、高强度与高韧性的轻量化承载材料开发提供生物原型参考。

本文聚焦天然珍珠层，探究其中生物分子结晶现象及其对材料增韧的贡献，发现三角帆成熟层珍珠质中存在一种由晶态有机-无机框架（COIF）主导的高模量增韧机制。该结构保留大家熟知的 “砖-泥” 骨架，还在片层内部搭建起多级结构：30 纳米的文石纳米棒垂直片层生长，纳米棒之间 5 纳米的空隙中分布着生物分子微晶。得益于临界滑移长度效应，这些晶态单元的强度与模量接近理论极值。被纳米空间限域的生物分子微晶如同纳米销钉，缓解应力集中，驱动多尺度协同形变。受此启发，我们使用再生文石片和树脂，制备出重构珍珠层仿生材料。

图1：三角帆蚌珍珠层中成熟层（ML）与过渡层（TL）的截面微观结构对比。

图2：三角帆蚌珍珠层成熟层（ML）与过渡层（TL）的力学性能对比。

图3：三角帆蚌珍珠层过渡层（TL）与成熟层（ML）的变形机制。

图4：成熟层（ML）的高模量增韧机制。

图5：重构珍珠层的制备与力学性能对比。

综上所述，本文揭示三角帆蚌成熟珍珠层内由晶态有机-无机框架（COIF）主导的高模量增韧机制。该结构借助临界滑移长度效应，使材料刚度与强度趋近理论极限；与此同时，纳米限域生物分子微晶发挥纳米销钉作用，缓解应力局域化，实现跨尺度协同形变，赋予珍珠层优异的断裂韧性。将该机理用于重构珍珠层仿生材料设计，制备所得样品表现出突出力学性能：弹性模量 43 GPa，断裂韧性12.8 MPa m0.5，临界裂纹长度 0.2 mm，塑性区尺寸 112 μm，成功实现刚度与韧性的解耦。本研究建立了基于 COIF 结构的普适性仿生材料设计策略，有望推广至各类具备纳米限域特征的纳米复合材料体系。

研究链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg1070referrer=https%3A%2F%2Fwww.science.org%2Fdoi%2F10.1126%2Fscience.aeg1070

（素材来源：化学学院）

（审核：马千里）

编辑：贾爱平