异质和梯度结构在最大限度提高生物矿化组织（如骨骼、牙齿和贝壳）的承重性能方面起着至关重要的作用。从具有复杂梯度结构的生物材料中汲取灵感，各种人工设计已经被开发出来用以复制这种独特的特征。珍珠层是一种被广泛研究的生物材料，这种天然结构通过将脆性文石板与几丁质和蛋白质以“砖瓦”的形式排列来实现强度和韧性的结合。研究发现，珍珠层中的异质和梯度结构对于力学性能的综合优化有着至关重要的作用。受到珍珠层的启发，以多种二维纳米结构为构筑基元的仿生结构材料被合成出来。具有类珍珠层结构的透明玻璃纳米复合材料的特殊亚微米结构促进了材料中的裂纹挠曲、桥接和粘弹性耗散，在一定程度上解决了玻璃的脆性问题。将异质和梯度结构引入到类珍珠层玻璃纳米复合材料中，为其性能的进一步优化提供了一条可行的途径。

吉林大学化学学院杨明教授课题组选用价格低廉的C-玻璃薄片作为无机构建块，通过界面组装来实现对微观结构的精确控制，得到了一种力学性能优异的异质类珍珠层结构材料。硅烷剂修饰的C-玻璃薄片可以在气-液界面自发地形成表面层，基于这一界面组装现象，利用层层组装的方法使C-玻璃薄片高度有序的在聚合物基体中逐层嵌入。通过在薄膜构建过程中改变C-玻璃薄片的纵横比，可以创建一个内部结构可控的类珍珠层梯度材料，实现强度和韧性的平衡。在保持了透明度和雾度与均质结构相当的情况下，异质结构可有效的提高弯曲能、断裂韧性和断裂功。与均匀结构相比，异质结构的弯曲能、断裂韧性和断裂功分别提高了180 ~ 410%、50 ~ 450%和130 ~ 1500%。有限元模拟指出了异质结构和重复序列在应力均匀分布和减缓裂纹扩展方面的关键作用。

图1 界面组装与类珍珠层玻璃纳米复合材料的合成。

图2 玻璃纳米复合薄膜的拉伸和光学性能。

图3 玻璃纳米复合材料层压板及其弯曲性能。

图4 带缺口的三点弯曲实验的有限元模拟。

杨明，吉林大学化学学院教授，国家级“四青人才”。现在无机合成与制备化学国家重点实验室工作，主要从事仿生结构与功能材料方面的研究。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。

Cui C, Zhu J, Feng S, et al. Nacre-like heterogeneous glass nanocomposites from interfacial assembly. Nano Research, 2025, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907173