工程师揭秘：能提高17倍强度的神奇水泥配方

阅读这个故事时，您将学到以下内容：

• 虽然现代世界是用水泥建造的，但其生产是温室气体的主要排放源之一。因此，寻找提高其耐久性和安全性的方法至关重要。
• 在普林斯顿大学的一项新研究中，科学家们将目光投向了普通的牡蛎及其具有虹彩的复合材料——珍珠层，以此作为设计灵感。
• 研究人员通过在微观层面上模仿珍珠层的特性，能够将水泥的韧性提高约17倍，相比于单独的水泥块。

科学家们总是在寻找方法，使本质上脆弱的材料，如混凝土或陶瓷，更加坚韧、安全和耐用。这一次，他们从一个最不可能的地方找到了灵感——极其耐用的牡蛎壳。

大自然再次给予了我们启示。

这些盐水双壳软体动物最著名的特征之一是呈现彩虹色的复合材料珍珠层——也被称为“母珠”——它位于动物内壳的内层。尽管这种材料早已在世界各地的珠宝店中出现，但珍珠层同样是一种建筑奇迹。它包含由文石（最常见的自然存在的碳酸钙形式之一）制成的微小六角形“片”，这些片是由柔软的生物聚合物结合在一起的，类似于有机胶水。

文石提供了强度，而生物聚合物则提供了灵活性，使珍珠层既灵活又抗裂——如此之强，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而来的软体动物的特性是否能为人类建筑材料带来类似的好处。这项研究的结果发表在《先进功能材料》期刊上。

“硬成分和软成分之间的这种协同作用对珍珠母的卓越机械性能至关重要，”普林斯顿大学的研究生Shashank Gupta是该研究的共同作者，他在新闻声明中表示。“如果我们能设计出能抵抗裂缝扩展的混凝土，就能让它更坚固、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梁，这些梁由水泥浆和薄聚合物交替组成。第一根梁是将这两种成分堆叠而成，而另外两根梁则有所不同。第一根梁的水泥浆中有六角形凹槽，而第二根梁则完全切穿水泥，形成六角形的板块或“药片”。所有三根梁都与一个铸造的水泥浆参考梁进行了比较（即没有聚合物层和六角形标记）。

实验结果证明，虽然参考梁脆弱且缺乏延展性，但所有三根梁的延展性 和 韧性显著提高。然而，研究人员表示，最引人注目的是那种带有珍珠层状六角板的多层梁。通过匹配 微观 珍珠层的力学特性，该梁的韧性比铸造水泥高出17倍，延展性高出19倍——同时保持与参考梁相同的强度。

“我们的仿生方法并不是简单地 模仿 自然的微观结构，而是学习其基本原理，并用这些原理来指导人造材料的设计。使珍珠壳坚韧的关键机制之一是纳米级别的片状结构的滑动，”该研究的合著者Reza Moini在一份新闻声明中表示。“换句话说，我们故意在脆性材料中设计缺陷，以此来增强其强度。”

更强、更安全的水泥不仅对建筑业有利，也有利于地球的健康，因为水泥生产大约占全球温室气体排放的8%。但尽管研究显示这些仿珍珠材料的前景可喜，这种多层六角形的技术在建筑公司开始用软体动物取代砂浆之前，还需要进一步改进。