破解大自然最坚硬物质的奥秘

珍珠层是一种主要分布在贻贝等软体动物壳内的“类彩虹”层状物质,它被认为是自然界中最坚硬的材料之一。据美国“优睿科网站”10月23日报道,美国密歇根大学领导的研究团队用实时观测技术,精确地揭示了它的坚硬之谜。相关研究成果刊登于《自然通讯》杂志。

珍珠层


珍珠层又被称为珍珠母,其坚硬、坚韧的特性一直是一个谜。如果人类能够仿造出类似材料,可对结构科学、外科植入物等方面的应用产生深远影响。密歇根大学材料科学与工程助理教授Robert Hovden说:“虽然人类可以在极端高温、高压条件下制造出非常坚固的材料,但我们却不能复制软体动物在自然条件下完成的‘纳米工程’。如果能将两种方式结合起来,就有可能诞生新一代超强材料。我们的论文朝着这个方向迈出了一步。”
经过长期研究,研究人员已经知道了珍珠层的基本秘密——它是由霰石等矿物(微型砖)和有机材料(灰浆)混合而成的“砖瓦结构”。在密歇根大学材料特性研究中心,研究人员使用微电压头对耳廓扇贝施加了压力,并在电子显微镜下进行了实时观测。他们发现,微型砖实际是上是仅几百纳米大小的多面体薄片。通常情况下,薄片是分离的,以分层方式排列,其间有一层很薄的“有机灰浆”起到缓冲作用。当有外力作用时,有机灰浆会被挤压到一侧,薄片会“锁扣”在一起,形成完整的固体表面。外力移除时,薄片回弹复原。
珍珠层的这种韧性与人造先进材料有很大区别。例如,塑料虽然也可以在受到冲击后复原,但每次冲击都会让它失去部分强度。珍珠层在反复冲击作用下,不会损失弹性,其屈服强度高达80%。更重要的是,如果珍珠层出现了裂缝,它可以限制裂缝不扩散,进而保持结构的完整性。Hovden说:“虽然软体动物并不是很聪明的生物,但它们却能在微观尺度上构造出如此复杂的结构。这令人难以置信。”Hovden认为,人类可以借鉴贻贝的方案来制造纳米复合材料,从而显著提高材料性能。他说:“通过上百万年的进化过程,大自然为人类提供了这些高度优化的结构。我们可能永远无法用计算机模拟出这类材料,我们只能擦亮双眼,去仔细发现它们。”

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