生物体已经进化出具有优异力学性能和高结构稳定性的生物材料，其性能往往优于人造材料。牙釉质作为最典型的生物材料之一，由平行排列的羟基磷灰石纳米线（96wt%）、无机非晶间质以及极少量生物聚合物组成，表现出优异的刚度、硬度和阻尼（比单纯的羟基磷灰石陶瓷高出一个数量级），且能够在口腔环境中连续服役超过60年。规则排布的陶瓷阵列结构为牙釉质提供强支撑，晶体/非晶界面在受力过程中为牙釉质耗散能量。尽管通过电子束物理气相沉积和脉冲激光沉积策略能够在金属表面构筑陶瓷阵列结构，但陶瓷层中存在纳米级缺陷和孔隙，限制材料综合力学性能的提升。因此，引入仿生理念在金属表面原位构筑类牙釉质结构，将会是一种制备高刚度、高阻尼、耐腐蚀金属的有效方法。

北京航空航天大学郭林教授、赵赫威教授、郭天祺教授与加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授合作，受高刚度、高阻尼牙釉质多级结构的启发，在金属表面原位构筑类牙釉质陶瓷层实现金属刚度、阻尼以及耐腐蚀性的同步提升。研究团队首先以锆箔（Zr foil）作为研究对象，通过水热法在Zr foil表面原位生长氧化锆（ZrO₂）纳米棒阵列，随后通过可控水解法结合低温煅烧工艺在阵列间隙中填充非晶间质相，在Zr foil表面原位构筑了类牙釉质ZrO₂陶瓷层，在提升金属拉伸强度的同时，未牺牲其固有的延展性和金属光泽。

类牙釉质陶瓷层强化后的Zr foil兼具高刚度（121.3 GPa）和高阻尼（0.038），粘弹性品质因子达到了4.6 GPa，是传统工程材料（0.6 GPa）的7.6倍；同时具有优异的比模量（19.4GPa/(g/cm³)）和比硬度（0.85 GPa/(g/cm³)），表明通过轻量化的强化策略能够同步提升金属的模量和硬度。

研究团队系统分析了类牙釉质陶瓷层的永久变形区，发现晶体ZrO₂阵列结构的强支撑作用以及晶体/非晶界面独特的能量耗散行为，是实现金属材料兼具优异力学性能的关键。

此外，陶瓷材料固有的耐腐蚀性以及非晶间质相特有的长程无序结构特点，显著抑制了腐蚀性物质向金属基底的侵蚀，提高材料整体的耐腐蚀性。

特别地，该强化策略具有良好的普适性，已推广至钛、锌、铜三种金属，并显著提升了这三种金属的综合力学性能和耐腐蚀性。其中，类牙釉质陶瓷层强化的金属钛的比模量达到了30.9 GPa/(g/cm³)，与轻质金属（例如镁和铝）相当，同时表现出良好的生物相容性，展现出潜在的临床应用前景。

总之，该工作提出了一种新颖的金属强化策略，突破了金属材料刚度与阻尼难以兼得的技术瓶颈，同时提升了金属的比模量、比硬度以及耐腐蚀性，并具有良好的普适性，为开发高性能金属材料提供了巨大潜力，将促进金属在航空航天、军事装备以及生物医疗等领域的发展。该研究成果近期发表于Nature Communications 上，第一作者为北京航空航天大学博士后刘少佳和北京大学医学部博士后邓菁菁。