生物系统以其创造强大而有弹性的结构的能力而闻名。例如，海绵是分层生长的，形成独特的图案，将矿物质与柔软的区域结合在一起，创造出强度和柔韧性的理想平衡。

“大自然有一种方法，可以通过复杂的模式将脆性材料变成坚韧的材料，”贝克曼高级科学技术研究所的研究员、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程系主任兼梅贝尔利兰斯旺伦德教授南希索托斯说。“图案材料通常包含硬区和软区，使它们能够承受高应变而不会断裂，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使用正面聚合(一种利用热量触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，索托斯和她的同事建立了正面聚合作为制造生物启发聚合物材料的可靠方法。现在，他们的新技术建立在此基础上，允许在这些材料中控制晶体模式的形成，显著提高韧性和耐用性。

贝克曼研究人员杰夫·摩尔说:“大自然通过耗散过程形成的自发模式吸引了我们，然而在合成材料的世界里，我们通常依靠精确、可控的方法来创造结构。”

摩尔同时也是斯坦利·o·伊肯伯里研究教授和伊利诺斯州化学荣誉退休教授，他在微调化学配方方面发挥了关键作用，这些配方导致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图案材料，无需模具或铣削，从而产生了独特的性能。”

通过使用形态生成制造技术，该小组在化学反应中进行了轻微的改变，以获得晶体图案。

“确定最佳反应条件的努力花了几个星期的时间来确定。然而，最终观察到导致图案微观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经历，”前贝克曼研究所研究生，主要作者贾斯汀保罗说。

结果是一种具有非晶或非结构元素区域以及结晶固体区域的材料。橡胶和坚如磐石的材料之间的对比可以使产品特别有弹性。同样，如果没有贝克曼研究所的跨学科合作，创造一种控制聚合物结构的新方法是不可能的。

材料科学与工程教授Cecilia Leal利用x射线散射揭示了聚合物链如何在图案材料中自我定位。她说，这项技术突出了破译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，重点是捕捉导致独特异质材料产生的热化学不稳定性。

Geubelle说:“实验家和建模师之间的密切合作，以及力学、材料科学和化学研究人员之间的密切合作，对这个项目的成功至关重要。”

索托斯、摩尔、利尔和格贝尔是贝克曼研究所自主材料系统工作组的成员。

摩尔说:“这一成就需要跨学科团队的综合专业知识，使贝克曼研究所的协作环境成为实现这一突破的完美环境。”