【背景介紹】

眾所周知，玻璃因其光學性能、硬度、耐久性、熱穩定性和化學穩定性而被廣泛應用。然而，玻璃在室溫下沒有大的變形或增韌機制，導致其抗沖擊性較差。目前，除了利用回火來提高強度和抗沖擊性外，就是在玻璃板中嵌入軟聚合物層，形成夾層玻璃。但是這些方法并不能真正提高斷裂韌性，所以玻璃部件仍然是汽車等應用中最薄弱的結構元件。然而，珍珠層是一種存在于貝殼中的生物復合材料。這種復合材料中含有少量的有機材料，從而使易碎的陶瓷變硬，因此高度規則的微觀礦物片的三維實體組件與生物聚合物可以粘合在一起。在拉力作用下，數百萬微片可以在大體積上相互滑動，但是制造大量微觀珍珠層狀復合材料仍然是一項重大挑戰。同時，大規模微片滑動是天然珍珠層狀復合材料的關鍵機制，但是在合成珍珠層狀復合材料中基本上不存在。因此，制備出一種珍珠層狀復合材料，以玻璃材料的脆性問題，具有巨大的研究價值。

【成果簡介】

今日，加拿大麥吉爾大學的F. Barthelat教授（通訊作者）課題組針對玻璃固有的脆性和較差的抗沖擊性，采用分層和回火也不能抑制其脆性的問題。提出了一種仿生夾層玻璃，其仿造了軟體動物貝殼珍珠層的三維磚和砂漿排列。制備出仿生夾層玻璃具有周期性的三維結構和透明熱塑性彈性體制成的夾層。這種珍珠層狀復合材料重現了壓片滑動機制，其平板滑動在大體積上產生非線性變形，顯著提高了其韌性。這種類似珍珠層的玻璃保持了高強度和剛度，同時比夾層玻璃和鋼化玻璃的抗沖擊性高出兩到三倍。研究成果以題目為“Impact-resistant nacre-like transparent materials”發表在國際頂級期刊Science上。

【圖文解讀】

圖一、珍珠狀玻璃板的設計與制造

（A）天然珍珠層由95%體積的礦物片制成，用較軟的有機砂漿粘合；（B）珍珠狀玻璃板的制造方案；（C）平板幾何和重疊結構的細節；（D）與普通夾層面板相比，珍珠色玻璃板的透光率。

圖二、小珍珠狀玻璃面板的穿孔

（A）實驗裝置：以準靜態速率用加載鼻刺穿簡單支撐的玻璃面板；（B）純硼硅酸鹽玻璃和純EVA板、普通層狀面板和具有[5A]和[1P4A]層結構的珍珠層面板的穿透力-位移曲線；（C）穿孔前和穿孔過程中的普通層狀面板和珍珠狀面板；（D, E）性能圖顯示（D）不同材料和設計的最大壓力與剛度以及（E）穿刺能量與最大壓力的關系。

圖三、顯微CT掃描和分析普通層狀和珍珠層狀面板

（A）穿刺樣本的三維顯微層析成像透視圖；（B）最下層夾層中滑動距離的圖，顯示在珍珠層狀設計中有更大且更分散的滑動；（C）面板最下層中間層中的SMI圖，也顯示滑動矢量；（D）顯示了對應于SMI的三個值的三個滑動機構的示意圖。

圖四、大型珍珠層狀面板和其他透明材料的沖擊試驗

（A）實驗裝置：簡單支撐的面板以2.34 m/s的速度受到沖擊；（B）六種設計和沖擊試驗材料的穿刺能量與質量密度性能圖；（C）來自高速攝影的相應快照。

【小結】

綜上所述，作者制備的透明玻璃復制了單個片劑在三維和大體積上的大規模滑動機制。這種機制是由夾層的剪切介導的，其中夾層吸收了大量的機械能，使得材料具有良好的韌性、優異的抗沖擊性、完美的失效和損傷容限。這些珍珠狀的面板表明了一個相對大尺寸但具有高階次和周期性的材料是如何比更小且更無序的微觀結構更可取的。此外，激光雕刻和層壓制造方法是便宜且相對容易實施的大規模生產耐沖擊珍珠狀玻璃面板，有助于該復合材料在窗戶、光伏系統、建筑材料和電子設備中的應用。

文獻鏈接：Impact-resistant nacre-like transparent materials （Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw8988）