工程师们发现了制造 17 倍强度水泥的惊人秘诀

科学家们一直在寻找使固有脆性材料（如混凝土或陶瓷）更坚韧、更安全、更耐用的方法。这一次，他们从最不可能的地方之一——超耐用的牡蛎壳中找到了灵感。

再一次，大自然母亲提供了。

这些咸水双壳类软体动物最著名的属性之一是彩虹色复合材料珍珠层——也被称为“珍珠母”——排列在动物的内壳层上。尽管这种材料长期以来一直出现在世界各地的珠宝店中，但珍珠层也是一种建筑奇迹。它包含由文石（最常见的天然碳酸钙形式之一）制成的微小六角形“片剂”，由软生物聚合物结合在一起，有点像有机胶水。

由于文石提供强度，生物聚合物提供柔韧性，珍珠层具有令人难以置信的柔韧性和抗裂性，以至于普林斯顿大学土木与环境工程系的科学家们想知道，这种经过五亿年进化磨练的软体动物动作是否可以为人类建筑材料带来类似的好处。他们的研究结果于本月早些时候发表在《先进功能材料》杂志上。

“硬质和软质成分之间的这种协同作用对于珍珠层非凡的机械性能至关重要，”该研究的合著者、普林斯顿大学研究生Shashank Gupta在一份新闻声明中说。“如果我们能够设计出能够抵抗裂缝扩展的混凝土，我们就可以使其更坚固、更安全、更耐用。”

为了实现这一崇高目标，Gupta的团队制作了三种类型的多层材料梁，它们在水泥浆板和薄聚合物层之间交替使用。第一束由这两种成分堆叠而成，但另外两根横梁略有不同。第一种在水泥浆中具有六角形凹槽，而第二种则完全切开水泥，形成六角形板或“片剂”。将所有三根梁都与浇注水泥浆参考梁（即根本没有聚合物层或六边形标记）进行比较。

实验结果证明，虽然参考梁是脆性的，没有延展性，但所有三个梁都显示出显着增加的延展性和韧性。然而，根据研究人员的说法，最引人注目的是具有珍珠层状六边形板的多层梁。通过匹配微观珍珠层的力学，梁的韧性是浇注水泥的 17 倍，延展性是浇注水泥的 19 倍，同时保持了与参考梁一样的强度。

“我们的仿生方法不是简单地模仿自然界的微观结构，而是从基本原理中学习，并利用它来为人造材料的工程提供信息。使珍珠质外壳坚韧的关键机制之一是片剂在纳米水平上的滑动，“该研究的合著者Reza Moini在一份新闻声明中说。“换句话说，我们故意设计脆性材料中的缺陷，以此使它们在设计上更坚固。

更坚固、更安全的水泥不仅有利于建筑业，也有利于地球的健康，因为水泥的生产约占全球温室气体排放量的8%。但是，尽管该研究表明这些珍珠层启发的材料取得了有希望的结果，但在建筑公司开始将砂浆换成软体动物之前，这种多层六角形镀层技术还需要更多的调整。

关键词： 珍珠层 生物聚合物 软体动物