中国科大揭示铁掺杂显著提升竹鼠牙釉质性能机理

记者7月1日从中国科大获悉，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过控制喂养银星竹鼠的食物中的铁元素（Fe）含量，使竹鼠长出具有不同Fe含量的门齿，并系统研究了牙釉质中Fe的梯度分布特征和结合形式对跨尺度力学性能的影响。研究发现，竹鼠牙釉质优异性能源于铁化合物在羟基磷灰石纳米线周围晶间域中的聚集，并形成的径向纳米尺度模量梯度，这一特征显著提升了纳米线抗弯能力和界面强度。相关成果在线发表于《物质》。 为探究竹鼠门齿卓越的机械性能与Fe含量的关联，研究人员设置了两组不同铁含量的门齿进行比较。相比于传统使用螯合剂的方法，研究人员采用了喂养法来避免化学处理对釉质结构破坏。最终，实验组获得的着色层Fe含量是对照组的4.3倍。该方法成功建立了比较色素沉积影响的理想模型。 竹鼠的门牙在其日常觅食过程中频繁接触硬质食物和土壤，展现出优异的耐磨性能。通过力学测试分析比较了富含Fe的着色层与对照层在硬度、磨损响应及微尺度抗裂性能方面的差异性。结果表明，色素层的弹性模量、屈服强度和抗压强度均高于对照层，着色层中的主裂纹被有效抑制，并可观察到裂纹桥接现象，表现出更强的耐磨性和抗损伤性能。 为进一步探究Fe纳米梯度的作用机制，研究发现，着色层门牙中的羟基磷灰石纳米线周围的非晶态晶间域的弹性模量高于晶态纳米线，且弹性模量与Fe含量呈正相关，这一结构可被视作“径向梯度柱”。相比均匀结构，径向梯度柱的弯曲刚度有效提升。有限元模拟发现，这种梯度增强结构能承受更高应力并有效分散能量。研究还发现，Fe在门牙结构中的重新分布强化了纳米线间的界面结合，Fe与羟基磷灰石之间存在明显电荷转移，有助于增强界面强度。 因此，Fe的引入在羟基磷灰石纳米线周围的晶间域结构单元中起到“双重作用”：一是通过界面强化抑制裂纹扩展，二是通过模量梯度提升整体抗弯刚度。这两种纳米尺度的增强效应，通过牙釉质有序的微米尺度结构传递至宏观，这使得门牙在面对如砂砾等高强度摩擦环境时仍能保持完好，有效保护深层组织，避免灾难性破坏。 竹鼠能够精细地利用Fe的分布来改善其门牙的机械性能。Fe的引入还能增强门牙表面对酸性环境的抵抗力，从而进一步提高牙釉质的耐久性。这一发现对设计和开发仿生抗磨材料具有重要意义。此外，如果能通过食物供给策略将适当的离子聚集引入到人牙釉质的纳米晶间结构单元中，也将有效改善人牙釉质的性能，为治疗牙齿隐裂和龋齿等牙齿健康的常见威胁提供可能。（记者 汪乔）