牙齿的独特结构为人工材料的设计提供了启发，使得曾被认为难以兼得的性能组合成为可能。帽贝牙齿因其兼具高强度、高模量与优异韧性而备受关注。近年来，研究者致力于模仿帽贝牙齿的结构，然而受限于各向异性纳米结构间界面调控不足、共排列取向差、以及聚合物基体力学性能较差等问题，人造材料的性能仍远未达到理想状态。芳纶纳米纤维（ANFs）凭借其高机械强度与出色的化学稳定性，作为构建高性能仿生结构的基础模块显示出巨大潜力。然而，其广泛应用受制于传统自上而下制备方法的局限性：该方法成本高、效率低，且对分子结构的控制有限。

近日，吉林大学杨明教授团队在期刊《Advanced Science》上，发表了最新研究成果“Limpet-Inspired Multifunctional Composite Fibers with Exceptional Mechanical Performance From Self-Assembled Aramid Nanofibers”。研究者通过在湿法纺丝过程中诱导聚对苯二甲酰胺聚阴离子（PPTA）自组装形成芳纶纳米纤维（ANFs）并同步诱导β-FeOOH纳米晶须的定向生长，成功制备出仿帽贝牙齿结构的复合纤维。该工艺产生具有共对齐 ANFs 和纳米晶须的顺磁纤维，同时表现出抗紫外线照射的能力。

该复合纤维卓越的力学性能源于界面载荷高效传递与ANFs结晶度可控调节之间的协同作用——二者均由矿物相的稳健界面相互作用所驱动。由此构建的仿生结构兼具半结晶自组装ANFs与有序排列无机增强材料的优势，赋予复合纤维优异的强度、刚度和韧性，使其成为迄今报道中性能最高的结构纤维之一。

图1：PPTA聚阴离子自组装形成ANFs。

通过将PPTA粉末溶于DMSO/KOH获得聚阴离子溶液，加水诱导其自组装形成ANFs。随水量增加，纳米纤维数量增多、直径增大（图1）。WAXS分析表明，加水后发生从无序聚阴离子到有序ANFs的转变（图1），光谱分析表明（图1），随着加水量的增加，分子间氢键和芳香堆叠作用增强。

图2：湿法纺丝芳纶纤维和芳纶复合纤维的物理化学性质。

在5 mg/mL原液浓度和10 mL/h纺速下制得的芳纶纤维性能最优，拉伸强度达0.9 GPa，模量14.1 GPa，韧性178 MJ/m³。后拉伸10%可进一步提升至1.3 GPa、26.3 GPa和239 MJ/m³（图2）。采用Fe³⁺溶液作为凝固浴，通过湿纺同步组装ANFs与β-FeOOH纳米晶须，制得ANF/β-FeOOH-6 h复合纤维，其强度、模量和韧性分别提升至1.8 GPa、42.7 GPa和336 MJ/m³，优于多数高性能纤维（图2），并表现出优异的抗紫外性能（图2）。

图3：芳纶复合纤维的结构表征。

ANF/β-FeOOH-6 h 复合纤维中，尺寸约9 nm × 31 nm 的β-FeOOH纳米晶须沿ANF轴向排列，均匀分布于纤维间。PPTA 和 β-FeOOH 之间的结构相容性促进了 β-FeOOH 在 ANF 表面的成核（图3），界面处存在氢键及Fe-O-C键，增强了相互作用，但抑制了ANFs非晶区结晶，使其结晶度降至38%。芳纶复合纤维模量与硬度显著提升，分别达8.56 GPa和0.39 GPa，优于芳纶纤维（图3）。

图4：变形机理。

在拉伸失效过程中，芳纶纤维与ANF/β-FeOOH-6 h 均出现空腔和原纤化现象，伴随N-H振动蓝移，表明氢键断裂及有序结构破坏。随着应变增加，双折射率先升后降，同时发生应力白化，晶体尺寸持续减小，而结晶度在后期因再结晶机制略有回升（图4）。其半结晶结构中，微晶通过非晶相连，屈服后发生晶体滑移、微晶碎裂与非晶区延展，引发空化与原纤化，有效分散应力、延缓断裂。β-FeOOH纳米晶须通过界面增强载荷传递，而适度降低的ANFs结晶度在提升强度的同时保留了能量耗散能力。有机-无机界面相互作用为复合纤维机械性能的协同优化提供了有效途径。

论文链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202509321

人物简介：

杨明教授，吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室教授，博士生导师，国家级青年人才。主要从事仿生结构与功能材料的设计合成与性能优化。多项研究成果以第一作者和通讯作者身份发表在Nat. Rev. Mater., Nat. Chem., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际学术期刊上，受到了国内外科学媒体的广泛关注。