大自然永遠(yuǎn)是那么的神奇，人類發(fā)展的歷史上模仿自然、學(xué)習(xí)自然的例子比比皆是。從飛機(jī)到雷達(dá)，師法自然或許是改造自然的最事半功倍的手段。而對(duì)于化學(xué)材料的開(kāi)發(fā)，科學(xué)家們也少不了向自然學(xué)習(xí)。

    比如司空見(jiàn)慣的貝殼，其珍珠層上的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)為其造就了其優(yōu)越的力學(xué)性能?？茖W(xué)家們對(duì)這種微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了至少半個(gè)多世紀(jì)，并進(jìn)行了形式各異的模仿。最近，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所的姜義軍與牟新東的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)就受天然貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用氧化石墨烯、硼酸與羧甲基纖維素鈉的復(fù)合材料，打造出一款“人造貝殼”，這種復(fù)合材料有著超越天然貝殼的力學(xué)性質(zhì)，并且有著隔氣和阻燃的功能。

    （超越天然貝殼力學(xué)性質(zhì)的“人造貝殼”復(fù)合材料）

    1+1>2的復(fù)合

    這種復(fù)合材料的主體是羧甲基纖維素鈉，當(dāng)在體系中引入硼酸鹽與氧化石墨烯后，并溶液鑄膜法進(jìn)行復(fù)合膜的制備。并在制備的過(guò)程中熱處理進(jìn)行原位還原。值得注意的是，引入的硼酸鹽（含量0.09%）與氧化石墨烯（含量0.7%）的量都比較少，但是其對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的增加程度很大。經(jīng)過(guò)優(yōu)化制備工藝的復(fù)合材料其抗張強(qiáng)度可以達(dá)到天然珍珠層結(jié)構(gòu)的3.55倍，該值也高于絕大多數(shù)已經(jīng)報(bào)道的人造珍珠層結(jié)構(gòu)。

    （不同條件下制備出的層狀結(jié)構(gòu)，以及EDS譜圖）

    那么，為什么這三種物質(zhì)混合后就會(huì)讓材料獲得如此優(yōu)異的性質(zhì)呢？研究者通過(guò)一系列的探究提出了如下機(jī)理：（1）氧化石墨烯經(jīng)過(guò)原位還原后，消除了氧元素的存在對(duì)于與羧甲基纖維素鈉排斥的不利因素，同時(shí)氧化石墨烯還原后會(huì)與羧甲基纖維素鈉有著更強(qiáng)的范德華力；（2）研究中使用的是高分子量的羧甲基纖維素鈉，氧化石墨烯在高分子量羧甲基纖維素鈉中有著良好的分散。（3）硼酸鹽貢獻(xiàn)了很強(qiáng)的氫鍵作用。

    （復(fù)合物分子層次作用力的機(jī)理）

    水火不侵

    比較有意思的是，原料中的羧甲基纖維素鈉與氧化石墨烯都是在水中可以分散的，但是通過(guò)硼酸鹽交聯(lián)后，復(fù)合物竟然獲得防水性能。

    （瓶1未經(jīng)硼酸鹽交聯(lián)的材料，在水中兩個(gè)小時(shí)即瓦解，瓶2-4經(jīng)過(guò)硼酸鹽交聯(lián)后被水浸泡一周后仍穩(wěn)定。）

    同時(shí)，氧化石墨烯的引入使得其獲得了優(yōu)異的氣體阻隔性能，所以該復(fù)合膜可以開(kāi)發(fā)為氧氣阻隔膜，成為一種重要的防火材料。

    （a：普通羧甲基纖維素鈉材料很容易見(jiàn)火燃燒，b：復(fù)合膜見(jiàn)火后可以在幾秒內(nèi)自動(dòng)熄滅。）

    總體而言，這項(xiàng)研究對(duì)于基于綠色材料制備電子元件、包裝、航空航天材料都有著重要的借鑒意義。

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責(zé)任編輯：劉洋

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