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如果讓你從用貝殼做水泥，你的思路什么？或許是這樣的：貝殼的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），而水泥的主要成分是氧化鈣（CaO）。貝殼經(jīng)過高溫處理（煅燒）后產(chǎn)生的氧化鈣正是水泥的關鍵成分之一。

這個思路完全正確。在古代，某些文明曾利用貝殼作為建筑材料的一部分。例如，古羅馬人用貝殼粉末與其他材料混合制作早期的水泥。這種使用方法顯示了貝殼與水泥在建筑歷史上的聯(lián)系。

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“仿生”貝殼的水泥

不知道你在吃生蠔的時候有沒有仔細觀察過，它的殼是分層的。普林斯頓大學的工程師們也發(fā)現(xiàn)了這一細節(jié)，受生蠔殼和鮑魚殼材料的啟發(fā)，發(fā)明了一種新型水泥復合材料，該研究成果發(fā)表在《先進功能材料》（《Advanced Functional Materials》）期刊上，其抗裂性比標準水泥高出17倍，拉伸和變形而不斷裂的能力高出19倍。這一發(fā)現(xiàn)最終可能有助于提高從混凝土到瓷器等各種脆性陶瓷材料的抗裂性。

普林斯頓大學的研究人員發(fā)明了一種抗裂性和延展性均超越傳統(tǒng)水泥漿體的材料

（圖片來源：普林斯頓大學工程學院網(wǎng)站）

該研究由普林斯頓大學土木與環(huán)境工程系的Reza Moini教授領導，開發(fā)了一種模仿貝殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新型水泥復合材料，該結(jié)構(gòu)包括硬的六角形礦物片和軟的生物聚合物層。具體而言，這種復合材料采用交替層疊的水泥糊和聚合物薄片，大大提高了其抗裂性和韌性。

Moini的實驗室經(jīng)常從生物學中尋找建筑材料方面的靈感。

在這種情況下，該團隊開發(fā)了一種復合材料，靈感來自一種名為珍珠層或珍珠母的天然材料，這種材料存在于某些貝類（如生蠔和鮑魚）的內(nèi)部。它由無機的碳酸鈣微片（主要是文石）和有機的蛋白質(zhì)層交替組成。

珍珠層不僅具有高度的硬度和強度，還具備極好的韌性和抗裂性。其微觀結(jié)構(gòu)特征是由緊密排列的六邊形片狀晶體形成，這些晶體通過有機質(zhì)膠結(jié)在一起，使得珍珠層能夠在受到應力時有效地分散和吸收能量，從而防止破裂。珍珠層的獨特結(jié)構(gòu)和性能使其成為研究仿生材料和新型復合材料的重要靈感來源。

自然和合成珍珠層狀復合材料的結(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻1）

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“仿生水泥”具有更好的抗裂性和延展性

研究團隊利用波特蘭水泥漿（由波特蘭水泥與水混合而成的漿狀材料）等傳統(tǒng)建筑材料與有限的有機聚合物相結(jié)合。他們將水泥漿片層與高拉伸性聚合物聚乙烯基硅氧烷交替使用。

研究人員通過交替使用水泥漿片和聚合物薄層來制造多層小梁。然后對這些梁進行缺口三點彎曲試驗，其中每根梁都在彎曲狀態(tài)下進行測試，以評估抗裂性（或斷裂韌性）。

通過交替使用水泥漿片和聚合物薄層來制造多層小梁

（圖片來源：普林斯頓大學工程學院網(wǎng)站）

在實驗中，研究人員制作了三種類型的梁。

第一種由交替的水泥漿片和薄聚合物層組成。

對于第二種類型，他們使用激光在水泥漿片上雕刻六角形凹槽，然后將這些凹槽片堆疊起來，中間夾有薄聚合物層。

第三種類型與第二種類似，但研究人員完全切穿了水泥，形成了由聚合物層連接的分離的六角形片。這些水泥漿片位于聚合物層之上，類似于珍珠層中霰石位于生物聚合物層上的方式。

研究人員將這三種類型與參考固體（整體式）鑄造水泥漿對應物進行了比較。?

用激光在水泥漿片上雕刻六角形凹槽

(來源：參考文獻1的支持文件)

實驗表明，參考梁的斷裂是脆性的——這意味著梁在達到其斷裂點時會突然完全斷裂，沒有延展性。具有交替層的梁（無論是帶槽的還是不帶槽的）表現(xiàn)出更高的延展性和抗開裂性。

具有交替層的梁表現(xiàn)出更高的延展性和抗開裂性。

(來源：參考文獻1的支持文件)

最顯著的結(jié)果出現(xiàn)在具有完全分離的六角形薄片的梁中（第三種類型），這些薄片更類似于珍珠層。這些梁的延展性是固體水泥漿梁的19倍，斷裂韌性是固體水泥漿梁的17倍，同時強度幾乎相同。為將來改善脆性陶瓷材料（如混凝土和瓷器）的抗裂性能提供了新的可能性。

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貝類其他的仿生研究

這已經(jīng)不是科學家們第一次對貝類進行仿生研究了，貝殼結(jié)構(gòu)對科學家的啟發(fā)不僅應用于水泥材料的研發(fā)，在其他領域也引發(fā)了眾多仿生研究。：

1.仿生生蠔濾水技術：高效水凈化系統(tǒng)的自然靈感

生蠔對于保持海洋清潔必不可少，一只生蠔每天能夠過濾多達二十幾升的海水，清除水中的藻類、浮游生物和其他顆粒。

利用生蠔的濾水機制開發(fā)的高效水凈化系統(tǒng)，通過模仿生蠔的自然濾食過程來清除水中的雜質(zhì)和污染物。仿生凈化系統(tǒng)采用類似的微孔結(jié)構(gòu)和流體動力學原理，設計出能夠高效過濾水中懸浮顆粒、微生物和有害物質(zhì)的過濾裝置，顯著提高水凈化效率和水質(zhì)。

2.基于錐螺毒刺機制的高效無痛注射器

研究人員利用錐螺的毒刺機制開發(fā)出了一種高效無痛注射器，減少醫(yī)療過程中的疼痛和感染風險。錐螺的毒刺具有精細且強力的刺入能力，能夠迅速且無痛地注射毒液。仿生注射器模仿了這種機制，采用超細針頭和特殊注射設計，實現(xiàn)了無痛且高效的藥物遞送，大幅提升了患者的舒適度和安全性。

3、基于貽貝粘附蛋白的水下粘合劑

研究人員利用貽貝的粘附蛋白開發(fā)出一種高效的水下粘合劑，貽貝能夠在潮濕和水下環(huán)境中強力粘附在各種表面上，其粘附蛋白中含有大量的多巴胺類分子，這些分子能夠與多種材料形成穩(wěn)定的化學鍵。

仿生水下粘合劑模仿了這一機制，通過合成類似多巴胺的聚合物，能夠在水下環(huán)境中實現(xiàn)強力粘附，應用于海洋工程和醫(yī)療手術中的組織粘合和修復

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結(jié)語

貝殼的仿生研究展示了自然界的智慧對材料科學的深遠影響。通過模仿和改進自然界中的結(jié)構(gòu)，科學家們能夠開發(fā)出具有優(yōu)異性能的新材料，這些材料在各個領域都有著廣泛的應用前景。未來，隨著仿生技術的不斷進步，我們可以期待更多具有創(chuàng)新性的材料被開發(fā)出來。

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參考文獻：

1.Gupta, Shashank, Hadi S. Esmaeeli, and Reza Moini. "Tough and Ductile Architected Nacre‐Like Cementitious Composites."?Advanced Functional Materials?(2024): 2313516.

2.Abaie, Elham, Limeimei Xu, and Yue-xiao Shen. "Bioinspired and biomimetic membranes for water purification and chemical separation: A review."?Frontiers of Environmental Science & Engineering?15 (2021): 1-33.

3.Dutertre, Sebastien, John Griffin, and Richard J. Lewis. "Phyla Molluska: The venom apparatus of cone snails." (2016): 327-340.

4. Berger, Or, et al. "Mussel adhesive-inspired proteomimetic polymer." Journal of the American Chemical Society 144.10 (2022): 4383-4392.