The multilayer design principle of multifunctional artificial shells

微尺度化学 仿生学 材料科学 纳米技术 双层 弯曲 合理设计 制作 共形矩阵 机械工程 复合材料 工程类 化学 替代医学 数学 数学教育 病理 医学 生物化学
作者
Wenbo Zhang,Shihui Jiao,Wei‐Ming Sun,Yue Jiang,Shouhua Feng,Ming Yang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:: 148809-148809
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.148809
摘要

Living organisms employ a key strategy to construct resilient load-bearing structures: the strategic layering of anisotropic elements. Natural biomineralized tissues showcase a remarkable attribute—an exact alignment of multiple building units, a quality notably absent in contemporary biomimetic reproductions. We demonstrate the fabrication of artificial shells by integrating vertically aligned TiO2 nanorods into a polymer matrix atop clay multilayers. This approach combines chemical synthesis with molecular assembly to mimic the bilayer structure of mollusk shells, which consists of polygonal prismatic units on a brick-and-mortar architecture. Our study reveals a critical design principle for artificial shells through a combination of nanoindentation and finite element analysis. This design minimizes stress concentration factors at the interface and enhances penetration resistance, mainly attributed to the properties of the bottom layer. In comparing our artificial shells with their natural counterparts, we uncover additional design principles, such as hierarchical architecture and microscale prism size. These artificial shells possess the intriguing ability to partially self-heal due to a dynamic hydrogen bonding network. Furthermore, they can serve as humidity-sensitive actuators, with bending direction controlled by the aspect ratios of clay nanosheets. Our work offers valuable insights for the rational design of multifunctional, multilayer materials with enhanced impact resistance.
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