生物系统以其创造坚固而有弹性的结构的能力而闻名。例如，海绵层层生长，形成独特的图案，将矿物质与较软的区域结合在一起，形成强度和柔韧性的理想平衡。

“大自然有一种通过复杂图案将脆性材料变成坚韧材料的方法，”贝克曼高级科学技术研究所研究员、诺伊大学香槟分校材料科学与工程系主任兼梅贝尔·利兰德·斯旺伦德特聘教授南希·索托斯说。“图案化材料通常包含刚性和柔性区域，使它们能够承受高应变而不断裂，同时保持令人印象深刻的强度。”

今天发表在《自然》杂志上的一项研究描述了索托斯和她的同事如何利用正面聚合(一种利用热量引发形成聚合物的化学反应的过程)来复制自然的方法。

在 2021 年的一项研究中，索托斯和她的同事们确立了正面聚合是一种可靠的方法来制造仿生聚合物材料。现在，他们的新技术在此基础上建立，允许在这些材料中控制晶体图案的形成，从而显著提高韧性和耐用性。

贝克曼研究员杰夫·摩尔说：“大自然通过耗散过程形成的自发图案让我们着迷，但在合成材料的世界中，我们通常依靠精确、可控的方法来创造结构。”

摩尔也是诺伊州斯坦利·O·艾肯伯里研究教授和化学名誉教授，他在对化学配方进行微调方面发挥了关键作用，从而得出了论文中强调的发现。

他说：“我们的工作展示了一种新的前沿——无需模具或铣削即可对材料进行图案化，从而产生由这种附加结构产生的独特性能。”

通过利用形态发生制造技术，该团队对化学反应进行了细微的改变，从而获得了晶体图案。

“确定最佳反应条件的努力花了数周时间。然而，最终观察到导致图案化微结构和材料特性发生这些非凡变化的自旋模式动力学是一种特别令人满意的体验，”主要作者、前贝克曼研究所研究生研究员贾斯汀·保罗 (Justine Paul) 说。

最终，这种材料既有无定形或非结构化元素区域，也有结晶固体区域。橡胶状材料和坚硬如石的材料之间的对比可以使产品具有特别的弹性。同样，如果没有贝克曼研究所的跨学科合作，就不可能创造出一种控制聚合物结构的新方法。

材料科学与工程学教授塞西莉亚·莱尔利用 X 射线散射揭示了聚合物链在图案化材料中的定向方式。她说，这项技术凸显了从分子到物质的整体结构-性质关系的重要性。

航空航天工程教授 Philippe Geubelle 专注于制造过程的建模，重点捕捉导致产生独特异质材料的热化学不稳定性。

“实验人员和建模者之间以及力学、材料科学和化学研究人员之间的密切合作对该项目的成功至关重要，”Geubelle 说。

Sottos、Moore、Leal 和 Geubelle 都是贝克曼研究所自主材料系统工作组的成员。

“这一成就需要跨学科团队的综合专业知识，而贝克曼研究所的协作环境是实现这一突破的完美场所，”摩尔说。