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大自然以利用有限、適度的材料開發(fā)輕質(zhì)而堅韌的材料而聞名，這些材料被排列成巧妙的結(jié)構(gòu)。以珍珠質(zhì)為例。一些軟體動物貝殼閃閃發(fā)光的內(nèi)層通常被稱為珍珠母，它是一種有機-無機復(fù)合材料，由硬質(zhì)礦物文石的六角形薄片組成的三維磚墻圖案，由柔軟的超彈性生物聚合物粘合而成。

雖然文石片非常脆，但生物聚合物的柔韌性使其能夠在拉應(yīng)力作用下滑動，從而使珍珠質(zhì)成為一種堅韌的材料，能夠在斷裂前發(fā)生顯著變形。現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程系的研究人員通過模仿天然珍珠質(zhì)的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了一種新型的優(yōu)質(zhì)水泥復(fù)合材料。

天然珍珠層由文石薄片組成，由一種超彈性生物聚合物粘合在一起

這項研究的第一作者、普林斯頓大學(xué)工程系研究生沙山克-古普塔（Shashank Gupta）說："軟硬成分之間的協(xié)同作用是珍珠質(zhì)具有非凡機械特性的關(guān)鍵。如果我們能設(shè)計出抵抗裂紋擴展的混凝土，我們就能讓它變得更堅硬、更安全、更耐用。"

為了制作珍珠狀復(fù)合材料，研究人員用水泥漿片制作了六角形片材，并將其分層，中間用聚乙烯硅氧烷（PVS）隔開，聚乙烯硅氧烷是一種超彈性生物聚合物。然后用這種材料制成的橫梁對復(fù)合材料的機械響應(yīng)進(jìn)行了測試，并與用固體（整體）澆注水泥漿制成的橫梁進(jìn)行了比較。

研究人員對梁進(jìn)行了缺口三點彎曲（3PB）試驗，即在梁的中部向下施壓，在兩端向上施壓，以評估抗裂性或斷裂韌性。試驗結(jié)果表明，水泥漿澆注的"硬"梁很脆；由于沒有柔韌性（延展性），它們在達(dá)到失效點時突然完全斷裂。相比之下，珍珠質(zhì)復(fù)合梁的延展性是對照梁的 19 倍，斷裂韌性是對照梁的 17.1 倍，而強度幾乎相同。

研究人員制作的珍珠質(zhì)水泥復(fù)合材料示意圖

普林斯頓大學(xué)建筑材料與增材制造（AM2）實驗室負(fù)責(zé)人、該研究的通訊作者雷扎-莫伊尼（Reza Moini）說："我們的生物啟發(fā)方法不是簡單地模仿自然界的微觀結(jié)構(gòu)，而是學(xué)習(xí)其基本原理，并利用這些原理來指導(dǎo)人造材料的工程設(shè)計。使珍珠質(zhì)外殼堅硬的關(guān)鍵機制之一是納米級的片狀滑動。在這里，我們重點研究了片劑滑動的機制，通過工程設(shè)計使水泥漿的內(nèi)置表層結(jié)構(gòu)與聚合物的特性以及它們之間的界面保持平衡。換句話說，我們有意在脆性材料中設(shè)計缺陷，以此在設(shè)計上使其變得更堅固"。

當(dāng)然，這些結(jié)果都是在實驗室中得出的。研究人員計劃在實際環(huán)境中測試生物啟發(fā)水泥復(fù)合材料，并研究其機械性能是否可用于提高混凝土和瓷器等其他材料的抗裂性。

這項研究發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。