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科学家研制人造珍珠可微调刚度、强度和韧性

创新网 2018-12-14 10:12 出处:科学探索 编辑:@科技资讯网
珍珠质(nacre)是珍珠外层的硬质彩虹色涂层,但在某些软体动物的内部也有发现。作为大自然中最坚硬、稳定的材料之一,瑞士科学家已经开发出了打造人工珍珠质的工艺,而且能够针对不同的应用进行“微调”。天然珍珠层

珍珠质(nacre)是珍珠外层的硬质彩虹色涂层,但在某些软体动物的内部也有发现。作为大自然中最坚硬、稳定的材料之一,瑞士科学家已经开发出了打造人工珍珠质的工艺,而且能够针对不同的应用进行“微调”。 天然珍珠层的微观结构,非常类似于砖墙。它由堆积的砖状碳酸钙板组成。这些“砖”通过生物聚合物“砂浆”连接到一起、中间还有由矿物质组成的微小互联“桥梁”。

合成珍珠层的显微结构(图自:ETH Zurich)

由 Andr� R. Studart 教授带领的一支瑞士苏黎世联邦理工学院研究团队,正在研发可量产的人造珍珠, 并根据实际用户进行微调。

研究人员从商用的氧化铝板开始,让其扮演碳酸钙的角色。然后将长度几十微米的原料,悬浮在经受磁场旋转的悬浮液中,让所有细长的板块在同一个方向上对齐,就像墙壁中的砖块那样。

接着加入环氧树脂和氧化钛颗粒,将整个混合物置于高压之下,同时加热至约 1000℃(1832℉)。硬化后的树脂,会扮演砖块间的砂浆角色,而二氧化钛会在 800℃(1472℉)时熔化形成桥梁。

与此同时,氧化铝板本身并没有达到熔点,所以不会发生熔化。一旦材料冷却,就形成了一种非常类似于珍珠的产品。ETH Zurich 指出,该材料集刚度、强度、韧性与一体,创造了一个新的世界纪录。

值得一提的是,通过改变材料制作时的压力和温度,还可以微调这三种特性。 该技术最终有望被运用到建筑、航空/航天器设计等领域。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。 原标题为:

《Quantifying the role of mineral bridges on the fracture resistance of nacre-like composites》

《量化矿物桥梁对珍珠质类复合材料抗裂性的作用》


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