生物體已經進化出具有優異力學性能和高結構穩定性的生物材料，其性能往往優于人造材料。牙釉質作為最典型的生物材料之一，由平行排列的羥基磷灰石納米線（96wt%）、無機非晶間質以及極少量生物聚合物組成，表現出優異的剛度、硬度和阻尼（比單純的羥基磷灰石陶瓷高出一個數量級），且能夠在口腔環境中連續服役超過60年。規則排布的陶瓷陣列結構為牙釉質提供強支撐，晶體/非晶界面在受力過程中為牙釉質耗散能量。盡管通過電子束物理氣相沉積和脈沖激光沉積策略能夠在金屬表面構筑陶瓷陣列結構，但陶瓷層中存在納米級缺陷和孔隙，限制材料綜合力學性能的提升。因此，引入仿生理念在金屬表面原位構筑類牙釉質結構，將會是一種制備高剛度、高阻尼、耐腐蝕金屬的有效方法。

北京航空航天大學郭林教授、趙赫威教授、郭天祺教授與加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授合作，受高剛度、高阻尼牙釉質多級結構的啟發，在金屬表面原位構筑類牙釉質陶瓷層實現金屬剛度、阻尼以及耐腐蝕性的同步提升。研究團隊首先以鋯箔（Zr foil）作為研究對象，通過水熱法在Zr foil表面原位生長氧化鋯（ZrO₂）納米棒陣列，隨后通過可控水解法結合低溫煅燒工藝在陣列間隙中填充非晶間質相，在Zr foil表面原位構筑了類牙釉質ZrO₂陶瓷層，在提升金屬拉伸強度的同時，未犧牲其固有的延展性和金屬光澤。

類牙釉質陶瓷層強化后的Zr foil兼具高剛度（121.3 GPa）和高阻尼（0.038），粘彈性品質因子達到了4.6 GPa，是傳統工程材料（0.6 GPa）的7.6倍；同時具有優異的比模量（19.4GPa/(g/cm³)）和比硬度（0.85 GPa/(g/cm³)），表明通過輕量化的強化策略能夠同步提升金屬的模量和硬度。

研究團隊系統分析了類牙釉質陶瓷層的永久變形區，發現晶體ZrO₂陣列結構的強支撐作用以及晶體/非晶界面獨特的能量耗散行為，是實現金屬材料兼具優異力學性能的關鍵。

此外，陶瓷材料固有的耐腐蝕性以及非晶間質相特有的長程無序結構特點，顯著抑制了腐蝕性物質向金屬基底的侵蝕，提高材料整體的耐腐蝕性。

特別地，該強化策略具有良好的普適性，已推廣至鈦、鋅、銅三種金屬，并顯著提升了這三種金屬的綜合力學性能和耐腐蝕性。其中，類牙釉質陶瓷層強化的金屬鈦的比模量達到了30.9 GPa/(g/cm³)，與輕質金屬（例如鎂和鋁）相當，同時表現出良好的生物相容性，展現出潛在的臨床應用前景。

總之，該工作提出了一種新穎的金屬強化策略，突破了金屬材料剛度與阻尼難以兼得的技術瓶頸，同時提升了金屬的比模量、比硬度以及耐腐蝕性，并具有良好的普適性，為開發高性能金屬材料提供了巨大潛力，將促進金屬在航空航天、軍事裝備以及生物醫療等領域的發展。該研究成果近期發表于Nature Communications 上，第一作者為北京航空航天大學博士后劉少佳和北京大學醫學部博士后鄧菁菁。