目前人们发现了大量由生物合成的空间离散的有机和矿物（陶瓷）相组成的坚固的骨架复合材料，然而，由于其复杂的层次结构，直接测量这些骨架复合材料中生物矿物的内在力学性能是极具挑战性，这往往阻碍了对单个单元的有效隔离，以及在力学表征过程中对载荷和边界条件的精确控制。

近日，美国弗吉尼亚理工学院Ling Li报道了以海洋双壳类Atrina rigida的壳层为模型系统，通过多尺度的结构和力学表征，结合理论和计算模拟，揭示了生物方解石中普遍存在的结构基序，即纳米晶内缺陷的潜在机械作用。

文章要点

1）A.rigida是一种原产于加勒比海的双壳软体动物，其壳层由两种不同的矿物相组成，即内文石珍珠层和外钙质棱柱层。内部珍珠层具有众所周知的“砖瓦”结构，而外部棱柱层由棱柱状的方解石晶体组成，横截面呈多边形。这些棱柱状的方解石晶体通常直径20-50μm，沿着壳体法线长几百微米。相邻方解石棱柱之间的边界是薄的晶间有机层(厚度：约500 nm)。除了晶间有机界面外，单晶方解石棱柱内还存在缺陷状纳米包裹体，这种包裹体以前被证明含有有机材料。基于这些缺陷的电子密度相对较低，研究人员利用明场透射电子显微镜(TEM)成像进行观察。

2）研究发现，A.rigida中方解石的纳米级缺陷不仅通过经典的沉淀强化机制抑制了纯方解石的软屈服，而且通过可控的纳米和微断裂增强了能量耗散，缺陷的尺寸、几何形状、取向和分布促进和引导了裂纹的萌生和扩展。这些纳米和微米级的裂纹进一步受到更大规模的晶间有机界面的限制，从而进一步提高了损伤容限。

Deng, Z., Chen, H., Yang, T. et al. Strategies for simultaneous strengthening and toughening via nanoscopic intracrystalline defects in a biogenic ceramic. Nat Commun 11, 5678 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-19416-2

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19416-2