天然珍珠層和合成珍珠層的比較圖使一種材料能夠同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和較好的韌性，這對于材料科學(xué)家和工程師來說無疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。但大自然卻成功地將不同的結(jié)構(gòu)要素結(jié)合在一起，形成了既堅(jiān)硬又具有韌性的材料，從而獲得了突出的性能。珍珠層或珍珠母就是一種由硬組分和軟組分材料組成的，同時(shí)又具有高強(qiáng)度和高斷裂韌性的典型例子。珍珠層是由文石晶體與有機(jī)基質(zhì)交錯(cuò)排列而成的一種結(jié)構(gòu)，利用X射線衍射（XRD）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察，會呈現(xiàn)出規(guī)整有序的“磚墻”式結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生這種珍珠的珠母貝內(nèi)側(cè)也具有與此相同的結(jié)構(gòu)。通常將這種碳酸鈣與貝殼硬蛋白形成的結(jié)構(gòu)稱為珍珠層。這種天然生物材料的組織結(jié)構(gòu)特征及其與性能間的關(guān)系研究對于材料的仿生設(shè)計(jì)有著重要的意義。

    來自麻省理工學(xué)院和意大利米蘭理工大學(xué)的研究人員通過使用添加劑制造技術(shù)，制造出了模擬珍珠層優(yōu)秀特性的人造混合材料。Markus J. Buehler和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，珍珠層具有優(yōu)異特性的關(guān)鍵是被忽視的微觀結(jié)構(gòu)特征，這種顯微結(jié)構(gòu)也被人們稱為“礦物橋”（MB）。

    Markus J. Buehler解釋說：“珍珠層的物理結(jié)構(gòu)通常被稱為‘磚瓦砂漿’結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，硬質(zhì)文石材料（磚）與軟質(zhì)生物聚合物（砂漿）膠合在一起。但對珍珠層的更詳細(xì)的分析表明，這種結(jié)構(gòu)被更好地描述為一種‘磚橋?qū)嶓w’結(jié)構(gòu)。”

    珍珠層結(jié)構(gòu)磚之間的橋梁為材料帶來了額外的強(qiáng)度和剛度。

    Markus J. Buehler指出：“珍珠層的獨(dú)特之處在于，它能通過摻入5％的軟生物聚合物材料，獲得比單獨(dú)的硬質(zhì)文石更高的韌性。”

    他補(bǔ)充說，這種對物理性質(zhì)的放大，在合成材料中是前所未有的。但是Buehler和他的團(tuán)隊(duì)想要確切研究的是，MBs（礦物橋）的加入和含量的多少是如何影響這些屬性的。研究人員利用3D打印技術(shù)，在軟質(zhì)聚合物基質(zhì)中同時(shí)打印礦物磚和橋梁，并將不同比例的磚與砂漿和MBs（礦物橋）的數(shù)量進(jìn)行了分析。

    過多礦物質(zhì)的加入，會使珍珠層復(fù)合材料的強(qiáng)度降低脆弱；而當(dāng)?shù)V物質(zhì)含量過少時(shí)，材料的力學(xué)性能又表現(xiàn)的不夠剛硬。但是，研究人員的研究結(jié)果表明，只有正確的礦物含量（70％）和MB（9-12％）數(shù)量，才會使得材料的韌性和強(qiáng)度都有明顯的提高。

    Buehler說：“我們的研究結(jié)果證明了體積分?jǐn)?shù)對韌性強(qiáng)度有著主要影響，這一發(fā)現(xiàn)使得僅通過調(diào)整結(jié)構(gòu)特征的尺寸大小和內(nèi)容從而來調(diào)整復(fù)合材料的性能成為可能。

    研究人員認(rèn)為，當(dāng)MBs（礦物橋）穿過復(fù)合材料時(shí)，MBs的存在會使裂縫的軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。代替原來材料的自由曲折，MBs迫使裂縫遵循塊狀圖案的偏轉(zhuǎn)，這與強(qiáng)度的增加有很大關(guān)系。

    研究人員相信，除了其他結(jié)構(gòu)特征以外，他們系統(tǒng)的方法將有助于推動生物復(fù)合材料的優(yōu)化，從而可以滿足工程應(yīng)用方面上的挑戰(zhàn)。

    Buehler補(bǔ)充說：“該技術(shù)還可以為飛機(jī)、建筑物和車輛等各種結(jié)構(gòu)制造特定的材料。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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