许多生物材料，如珍珠层、骨头和牙齿，长期以来都是开发高性能结构材料的灵感来源。这些生物材料通过构建从纳米/微观到宏观级别的复杂层次结构，实现了出色的机械性能。在过去的十年中，已经采用了多种方法来开发类似珍珠质的复合材料，包括真空过滤，逐层组装，冷冻浇铸，矿化，共挤出和三维打印。特别是，冷冻铸造（或冰模板）在精确的结构控制，易扩展性，多功能性和低成本之间具有较大的优势，这对于高性能仿珍珠母复合材料的制备具有重要作用。凭借其出色的多功能性，冷冻铸造已被应用于组装各种构件，包括陶瓷、聚合物、碳纳米管、石墨烯和氮化硼，形成具有仿珍珠层的大块材料。在典型的冷冻浇铸过程中，冰晶在冷表面成核，并沿着温度梯度沿优选方向生长。显然，控制冰的成核和生长至关重要，因为所得多孔材料的结构简单地复制了冰晶的形态。在这种情况下，诸如温度梯度方向、添加剂类型和浓度以及磁场之类的参数对最终结构具有深远的影响。冷表面的特性（二维）还需要仔细设计以控制冰模板材料的结构（三维）。

有鉴于此，浙江大学柏浩研究员等人，通过引入润湿性梯度来控制冰在冷表面的成核和生长。

本文要点

1）使用含有羟基磷灰石（HA）颗粒的水性浆料作为概念验证。比较了具有各种润湿性（即均一的亲水性，均一的疏水性和梯度）的表面上的冷冻浇铸过程以及所得的微结构

2）冰晶从亲水性区域到疏水性区域连续成核，并垂直于润湿性梯度排列，产生具有长程层状图案（> 10 cm，仅受冷却阶段尺寸限制）的块状多孔材料。随后该多孔骨架的渗透产生了具有优异的强度和韧性的高性能，大块的仿珍珠母纳米复合材料。

3）此外，在双层线性润湿性梯度和径向润湿性梯度修饰的表面上进行冻铸可以得到交叉排列和圆形的层状结构，这是常规冻铸技术无法实现的。

总之，该工作强调了利用表面润湿性模式丰富的可设计性来制造具有仿生复杂结构的大块材料的可能性。

参考文献：

Nifang Zhao et al. Controlling ice formation on gradient wettability surface for high-performance bioinspired materials. Science Advances, 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.abb4712

http://doi.org/10.1126/sciadv.abb4712