元素百科介绍天然生物和仿生梯度材料的研究进展。在长期的自然选择和进化过程中，自然界中生物体的组织结构和性能不断优化和提高，使用简单的矿物和有机质等原材料满足复杂的机械和功能需求，使生物体能够最好地适应其生活环境。大自然是人类的良师。天然生物材料的优良特性可以为人造材料的优化设计，特别是高性能仿生材料的发展提供有益的启示。功能梯度设计是生物材料中常用的基本性能优化策略之一。揭示自然界中的梯度设计标准和相应的性能优化机制对指导高性能仿生梯度材料的设计和促进其应用具有重要意义。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰研究小组刘增乾与加州大学伯克利分校教授Robert O. 加州大学圣地亚哥分校教授Marchitchie A. Meyers合作揭示了生物组织和材料中广泛存在的梯度结构取向特征，并提炼了一种新的仿生设计理念，提高了材料的接触和损伤阻力，即通过控制微组织结构取向获得梯度变化的力学性能，实现局域刚度、强度和韧性的优化分布和匹配，从而提高整体力学性能，如图1所示。通过机械分析和数值模拟，建立了结构取向与机械性能的定量关系，阐明了提高材料损伤阻力的机制，并指出了相应的仿生梯度结构设计方法。通过机械分析和数值模拟，建立了结构取向与机械性能的定量关系，阐明了提高材料损伤阻力的机制，并指出了相应的仿生梯度结构设计方法。
在此基础上，进一步总结了自然界中常见的基本功能梯度材料的设计形式和原则，以典型的生物材料为例，根据组成和组成、组织结构（包括结构单元的布置、空间分布、规模和方向）、界面与不同类型梯度在多级结构尺度上的结合与匹配，对生物材料中的梯度进行了具体的表达和分析，如图2所示，总结了梯度设计在材料性能优化中的作用和相应机制。同时，他们总结了近年来仿生梯度材料设计和应用的最新进展，特别是3D打印等新材料制备技术在仿生梯度材料领域的应用，指出了未来自然生物和仿生梯度材料研究需要解决的关键科学问题和挑战。同时，他们总结了近年来仿生梯度材料设计和应用的最新进展，特别是3D打印等新材料制备技术在仿生梯度材料领域的应用，指出了未来自然生物和仿生梯度材料研究需要解决的关键科学问题和挑战。
金属研究所“引进优秀学者”和美国空军科学研究办公室Multidisciplinary University Research Initiative项目资助。相关结果最近发表在Actaa上 Biomaterialia 44 (2016) 31-40，Proress in Materials Science (doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.013)。
