【2024年07月11日訊】（記者薛止墨編譯報導）水泥是現代世界的建造基石，提升水泥的耐用性和安全性變得至關緊要。一項創新可能帶來更堅固且安全性大幅提升的建築。
普林斯頓大學的最新研究將目光投向了不起眼的牡蠣，以及牡蠣殼中閃耀著彩虹光澤的複合材料——珍珠母，以尋找設計靈感。
珍珠母（nacre）是珍珠表層堅硬又富有彈性的亮麗材料。研究人員在微觀層面模仿珍珠母的特性，成功將水泥的韌性提升了約17倍，相比之下，單獨的水泥塊就顯得遜色多了。
科學家們一直在尋求方法，讓本質上易碎的材料，如混凝土或陶瓷，變得更堅固、更安全、更耐用。這次，他們終於從牡蠣堅硬的外殼中找到了靈感。
這些海洋雙殼貝類動物最著名的特徵之一是其內層殼所含的珍珠母——也就是人們熟知的「珍珠母貝」。它由微小的六角形「片」組成，這些片由文石（一種常見的天然碳酸鈣形態）構成，並由柔性的生物聚合物黏合而成，這種黏合物質就像是天然的黏著劑。（延伸閱讀：多功能強力「玻璃凝膠」或成為材料新寵兒）
文石賦予了珍珠母堅硬的特性，而生物聚合物則提供了彈性，使得珍珠母具有極佳的柔韌性和抗裂性。普林斯頓大學土木與環境工程系的科學家們好奇，這種經過五億年演化磨練的軟體動物特性是否能為人類建築材料帶來相似的優勢。他們的研究成果已於6月10日在《高級功能材料》期刊發表。
大自然母親再次展現智慧
「這種硬質與軟質成分的完美結合是珍珠母出色機械特性的關鍵。」研究共同作者、普林斯頓大學研究生Shashank Gupta在新聞稿中表示，「如果我們能夠使混凝土抵抗裂紋的擴散，就能讓它更堅韌、更安全、更耐用。」
為了達成這一目標，Gupta領導的團隊製作了三種具有多層結構的梁材料，這些材料由水泥漿層和薄聚合物層交替構成。第一種梁由這兩種材料疊加而成，而另外兩種則有所不同。第一種在水泥漿中設計了六角形溝槽，第二種則在水泥中切割出六角形板塊。這三種梁與一根由純水泥漿構成的參考梁（即沒有聚合物層或六角形設計）進行了對比。
進行的實驗證實，參考樣本的梁體脆且無延展性，但所有三個新型梁體均展現出明顯增強的延展性和韌性。研究人員指出，其中最令人矚目的是那個具備類似珍珠母六角形板塊的多層梁體。透過模仿微觀珍珠母的機械特性，這種梁體的韌性提高了17倍，延展性增加了19倍，同時保持了與參考樣本相當的強度。
「我們採取的生物啟發策略，不是單純模仿自然界的微結構，而是從其背後的原則學習，並將這些原則應用於人造材料的工程設計中。珍珠母貝殼之所以堅固的關鍵在於納米級別的片層滑動。」研究共同作者Reza Moini在新聞聲明中表示，「換言之，我們有意在脆性材料中設計缺陷，以此作為增強其強度的設計手段。」
更堅固且更安全的水泥不僅對建築行業大有裨益，對地球的健康也同樣重要，畢竟水泥生產約占全球溫室氣體排放量的8%。不過，儘管這些受珍珠母啟發的材料研究成果充滿希望，這種多層六角形板塊技術在建築公司開始放棄傳統砂漿轉而使用這種新材料之前，還需要進一步的改良。◇
