设计灵感来自珍珠 新型水泥韧性增加17倍

　　水泥是现代世界的建造基石，提升水泥的耐用性和安全性变得至关紧要。一项创新可能带来更坚固且安全性大幅提升的建筑。

　　普林斯顿大学的最新研究将目光投向了不起眼的牡蛎，以及牡蛎壳中闪耀着彩虹光泽的复合材料——珍珠母，以寻找设计灵感。

　　珍珠母（nacre）是珍珠表层坚硬又富有弹性的亮丽材料。研究人员在微观层面模仿珍珠母的特性，成功将水泥的韧性提升了约17倍，相比之下，单独的水泥块就显得逊色多了。

　　这些海洋双壳贝类动物最著名的特征之一是其内层壳所含的珍珠母——也就是人们熟知的“珍珠母贝”。它由微小的六角形“片”组成，这些片由文石（一种常见的天然碳酸钙形态）构成，并由柔性的生物聚合物黏合而成，这种黏合物质就像是天然的黏着剂。

　　文石赋予了珍珠母坚硬的特性，而生物聚合物则提供了弹性，使得珍珠母具有极佳的柔韧性和抗裂性。普林斯顿大学土木与环境工程系的科学家们好奇，这种经过五亿年演化磨练的软体动物特性是否能为人类建筑材料带来相似的优势。他们的研究成果已于6月10日在《高级功能材料》期刊发表。

　　大自然母亲再次展现智慧

　　“这种硬质与软质成分的完美结合是珍珠母出色机械特性的关键。”研究共同作者、普林斯顿大学研究生Shashank Gupta在新闻稿中表示，“如果我们能够使混凝土抵抗裂纹的扩散，就能让它更坚韧、更安全、更耐用。”

　　为了达成这一目标，Gupta领导的团队制作了三种具有多层结构的梁材料，这些材料由水泥浆层和薄聚合物层交替构成。第一种梁由这两种材料叠加而成，而另外两种则有所不同。第一种在水泥浆中设计了六角形沟槽，第二种则在水泥中切割出六角形板块。这三种梁与一根由纯水泥浆构成的参考梁（即没有聚合物层或六角形设计）进行了对比。

　　进行的实验证实，参考样本的梁体脆且无延展性，但所有三个新型梁体均展现出明显增强的延展性和韧性。研究人员指出，其中最令人瞩目的是那个具备类似珍珠母六角形板块的多层梁体。透过模仿微观珍珠母的机械特性，这种梁体的韧性提高了17倍，延展性增加了19倍，同时保持了与参考样本相当的强度。

　　“我们采取的生物启发策略，不是单纯模仿自然界的微结构，而是从其背后的原则学习，并将这些原则应用于人造材料的工程设计中。珍珠母贝壳之所以坚固的关键在于纳米级别的片层滑动。”研究共同作者Reza Moini在新闻声明中表示，“换言之，我们有意在脆性材料中设计缺陷，以此作为增强其强度的设计手段。”

　　更坚固且更安全的水泥不仅对建筑行业大有裨益，对地球的健康也同样重要，毕竟水泥生产约占全球温室气体排放量的8%。不过，尽管这些受珍珠母启发的材料研究成果充满希望，这种多层六角形板块技术在建筑公司开始放弃传统砂浆转而使用这种新材料之前，还需要进一步的改良。