仿帽贝牙齿的多功能复合纤维：基于自组装芳纶纳米纤维（ANFs）的卓越力学性能设计

这篇研究报道了一种创新性的仿生复合纤维制备策略，通过聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）聚阴离子自组装形成芳纶纳米纤维（ANFs），并同步原位矿化β-FeOOH纳米晶须。该材料模拟了帽贝牙齿的层级结构，通过氢键和π-π堆叠调控纳米有序性，最终获得强度1.8 GPa、模量42.7 GPa、韧性336 MJ m-3的超强韧纤维，其性能超越蜘蛛丝和多数合成纤维，同时兼具顺磁性和紫外线防护功能。

　　

2.1 ANFs的自组装机制

研究团队创新性地采用聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）聚阴离子在DMSO/KOH溶液中自组装形成芳纶纳米纤维（ANFs）。透射电镜（TEM）显示，通过调控水添加量（DMSO/水体积比30:1至3:1），可控制ANFs直径从18±3 nm增至27±5 nm。广角X射线散射（WAXS）证实水诱导的结晶化过程，红外光谱中N─H振动红移（3326 cm^-1→3291 cm^-1）和紫外光谱π-π堆叠特征证实了分子间氢键和芳香相互作用的协同调控机制。这种自下而上的策略相比传统Kevlar解离法，显著降低了成本并提高了结构可控性。

2.2 仿生复合纤维的制备与性能

通过湿法纺丝将PPTA聚阴离子注入含Fe³⁺的凝固浴，实现了ANFs与β-FeOOH纳米晶须的共取向生长。磁性测试显示复合纤维从抗磁性转变为顺磁性（饱和磁化强度随矿化时间增加）。ANF/β-FeOOH-6h样品展现出惊人的力学性能：强度比纯ANF纤维提高38%，韧性提升41%，模量增加62%。Ashby图谱分析表明其性能超越蜘蛛丝、聚丙烯腈（PAN）纤维等标杆材料。值得注意的是，β-FeOOH的引入使材料紫外线耐受性显著增强，24小时UV照射后力学性能损失仅为纯ANF纤维的50%。

2.3 多尺度结构特征

高分辨透射电镜（HRTEM）观察到β-FeOOH纳米晶须沿ANFs轴向排列，晶格间距1.52 ?对应其（020）晶面。纳米压痕测试显示复合纤维模量从4.77±0.64 GPa提升至8.56±0.43 GPa。X射线光电子能谱（XPS）在530.2 eV处检测到Fe─O─C键，证实了界面化学键合作用。有趣的是，随着矿化时间延长，ANFs结晶度从62%降至38%，这种可控的"半结晶"结构为后续力学性能优化奠定了基础。

2.4 独特的变形机制

原位广角X射线衍射（WAXD）揭示了拉伸过程中晶体尺寸减小（3.56→2.39 nm）与结晶度先降后升的非单调变化，表明存在"晶体滑移-熔融重结晶"的协同耗能机制。偏振光显微镜观察到21%应变时双折射率骤降，对应应力发白现象，这与断面SEM观察到的微纤化结构相印证。研究者提出，β-FeOOH与ANFs的强界面作用（氢键+Fe─O─C键）既能有效传递载荷，又通过调控ANFs结晶度实现了强度-韧性的协同提升。

3. 结论与展望

该工作通过仿生策略将自组装ANFs与铁氧化物矿化相结合，创造了性能超越天然材料的复合纤维体系。未来研究可拓展至其他生物矿物体系（如羟基磷灰石），并探索其在柔性电子、防护材料等领域的应用。这种"分子组装-介观构筑-宏观性能"的多尺度设计理念，为新一代高性能仿生材料开发提供了范式。