天然同轴"砖-泥"结构赋予龙舌兰叶尖卓越强度、韧性与锐度的机制研究

受龙舌兰(Agave striata)叶尖超强韧性和锐度启发，研究人员通过解析其同轴"砖-泥"微结构（300 nm厚硬木质纤维素层与软生物聚合物层交替排列），发现该结构使叶尖硬度、杨氏模量比椴木高3倍，抗压强度高2.5倍，韧性提升17倍，为设计高强度纳米复合材料提供了新范式。

　　

在自然界中，植物通过精妙的微观结构设计，往往能实现远超其组成材料本征性能的力学特性。这一现象引发了材料科学界的广泛关注，尤其是如何从常见元素中构建具有卓越性能的生物启发材料。龙舌兰(Agave striata)的叶尖就是一个典型例子——这种原产于中美洲的植物，其针状叶尖具有令人难以置信的强度和锐度，甚至能轻易刺穿人类皮肤，但其主要成分却与普通木材相似的木质纤维素。这一矛盾现象引起了研究人员的浓厚兴趣。

澳大利亚研究团队通过对A. striata叶尖的系统研究，首次揭示了其独特的同轴"砖-泥"结构。研究发现，叶尖由纵向排列的微纤维束组成，这些纤维具有纳米级的层状结构：坚硬的木质纤维素层（提供强度和刚度）与柔软的粘弹性生物聚合物层（约300 nm厚，负责能量耗散和变形适应）交替排列。这种精妙的构造使叶尖的机械性能远超天然木材和工程木质材料——与成分相似的椴木相比，其硬度和杨氏模量高出3倍，抗压强度提高2.5倍，韧性更是达到惊人的17倍。

研究采用了多种关键技术方法：从布里斯班植物园定期采集不同生长阶段的A. striata叶片样本；通过标准植物学方法制备显微分析样品；利用先进显微技术（如SEM、TEM）表征微观结构；采用纳米压痕等技术定量测定力学性能。

【组成与微观结构】研究发现叶尖纤维素含量显著高于茎部，且纤维束呈现高度有序排列。高分辨率成像显示，同轴"砖-泥"结构中，硬层由结晶度高的木质纤维素组成，软层则富含提取物（生物有机化合物）。

【力学性能】纳米力学测试表明，这种结构实现了强度与韧性的罕见结合。木质纤维素层抵抗变形，而生物聚合物层通过粘弹性变形耗散能量，阻止裂纹扩展。

【结论】该研究不仅阐明了A. striata叶尖超凡性能的结构基础，更提出了一种新的材料设计原则：通过精确控制纳米级同轴层状结构，可以用常见组分制造出远超其本征性能的复合材料。这一发现对开发新型高强度纳米复合材料、医用微针等具有重要指导意义，相关成果发表在《Journal of Materials Science》上。

研究团队特别指出，这种生物启发设计策略为可持续发展提供了新思路——无需开发新元素，通过对现有材料的智能结构设计即可实现性能突破。正如通讯作者Ziqi Sun强调的，自然界用有限的118种元素创造的性能奇迹，为人类材料创新指明了另一条康庄大道。这项工作也凸显了跨学科研究的重要性，将植物学观察、材料表征和力学分析相结合，才能深入揭示自然界的精妙设计。