大自然最堅硬物質的奧秘被破解，超強材料呼之欲出_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-10-25 11:37
編譯／雷鑫宇 審稿／三水 責編／張夢
研究人員用實時觀測技術，破解了珍珠層的堅硬之謎。
高度畸變和復原後的貽貝。
珍珠層是一種主要分佈在貽貝等軟體動物殼內的“類彩虹”層狀物質，它被認為是自然界中最堅硬的材料之一。
據美國“優睿科網站”10月23日報道，美國密歇根大學領導的研究團隊用實時觀測技術，精確地揭示了它的堅硬之謎。相關研究成果刊登於《自然通訊》雜誌。
珍珠層又被稱為珍珠母，其堅硬、堅韌的特性一直是一個謎。如果人類能夠仿造出類似材料，可對結構科學、外科植入物等方面的應用產生深遠影響。
密歇根大學材料科學與工程助理教授Robert Hovden説：“雖然人類可以在極端高温、高壓條件下製造出非常堅固的材料，但我們卻不能複製軟體動物在自然條件下完成的‘納米工程’。如果能將兩種方式結合起來，就有可能誕生新一代超強材料。我們的論文朝着這個方向邁出了一步。”
經過長期研究，研究人員已經知道了珍珠層的基本秘密——它是由霰石等礦物（微型磚）和有機材料（灰漿）混合而成的“磚瓦結構”。
在密歇根大學材料特性研究中心，研究人員使用微電壓頭對耳廓扇貝施加了壓力，並在電子顯微鏡下進行了實時觀測。
他們發現，微型磚實際上是僅幾百納米大小的多面體薄片。通常情況下，薄片是分離的，以分層方式排列，其間有一層很薄的“有機灰漿”起到緩衝作用。當有外力作用時，有機灰漿會被擠壓到一側，薄片會“鎖釦”在一起，形成完整的固體表面。外力移除時，薄片回彈復原。
珍珠層的這種韌性與人造先進材料有很大區別。例如，塑料雖然也可以在受到衝擊後復原，但每次衝擊都會讓它失去部分強度。珍珠層在反覆衝擊作用下，不會損失彈性，其屈服強度高達80%。更重要的是，如果珍珠層出現了裂縫，它可以限制裂縫不擴散，進而保持結構的完整性。
Hovden説：“雖然軟體動物並不是很聰明的生物，但它們卻能在微觀尺度上構造出如此複雜的結構。這令人難以置信。”
Hovden認為，人類可以借鑑貽貝的方案來製造納米複合材料，從而顯著提高材料性能。他説：“通過上百萬年的進化過程，大自然為人類提供了這些高度優化的結構。我們可能永遠無法用計算機模擬出這類材料，我們只能擦亮雙眼，去仔細發現它們。”
期刊來源：《自然通訊》
期刊編號：2041-1723
原文鏈接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-10/uom-ctm102319.php
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