復合材料
比鋼鐵和陶瓷韌，比塑料硬，貝殼堪稱自然界中將無機物的堅硬性與有機物的韌性“完美結合”的典范。科學家們一直想模仿貝殼的結構造出新材料。遺憾的是，二十多年來的嘗試一直得不到大批量產品。
日前，這個難題終于被浙江大學的科研人員破解。他們得到的材料不僅堅硬、富有韌性，而且可連續化制備。用它織成的衣服可以防輻射和靜電，由于新型纖維質量輕，還可做成更輕便的防彈衣。
這一研究成果近日發表在《自然》旗下的網絡開放期刊《科學報告》上。
貝殼中有“灰”與“磚”
“貝殼材料的特性，主要歸結于珍珠層特殊的‘磚灰結構’。”此項研究的帶頭人、浙江大學高分子系教授高超解釋說，像砌墻時要用到磚和水泥灰一樣，貝殼的珍珠層就像是一層磚壘一層水泥灰有序排列組合而成，這樣的結構特別堅固。同時，珍珠層又由一層無機物碳酸鈣夾一層有機物生物高分子組成，有機物的參與讓貝殼珍珠層有了韌性。
據高超介紹，以前做的仿貝殼材料，大多數功能很單一，要么夠硬但韌性不好，要么韌性好卻強度不高。“最關鍵的是，即使研制出既硬又韌的復合材料，也可能發生有機—無機材料之間的排斥分離現象，導致材料不穩定。”
此次研究人員研制的仿貝殼結構復合材料卻不會出現這些問題。與自然界的貝殼相比，這種材料甚至還具有更好的柔韌性和超強的抗腐蝕能力，能在酸、堿、鹽等條件下維持原有的優異性能。
液晶石墨烯打破仿生局限
在高超看來，前人之所以無法連續化制備出仿貝殼材料，原因在于他們大多將視角局限于對微結構和力學性能的模仿。“前人一般用氧化鋁、黏土納米片等無機物作為‘磚塊’。由于這些物質一般較厚，溶解性不好，只能采用過濾或層疊層組裝等辦法，做出厘米級的薄膜樣品。”
此次能突破這一局限，“殺手锏”在于對石墨烯的全新應用。
石墨烯是2004年才被發現的一種超薄二維納米材料，具有超強的力學性質和良好的導電、導熱特性。“我們在偶然中發現，如果經歷某些改造，石墨烯的一些特性與貝殼中的組成單元很類似，甚至還要優越。”該課題組博士生許震介紹說。
2011年，高超課題組成功地用納米級氧化石墨烯片紡制成長達數米的宏觀石墨烯纖維。“在這之前，人們很難想象如何將不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀纖維材料。”高超說，這一成果的關鍵在于他們發現并運用了氧化石墨烯的液晶性。
所謂“液晶性”，是指當氧化石墨烯在水等溶劑中的濃度超過某一臨界值時，就會自發排列成有序的結構。正是這種有序的內部結構，使研究人員得到的液晶分散液可很好地用于纖維紡制。
有機高分子化解連續制備難題
找到石墨烯作為人工貝殼技術的突破點后，研究人員又開始思考加工效率問題。由于“液晶性”是基于溶解性較好的氧化石墨烯，如何實現石墨烯的連續加工依然是個難題。
為解決這一問題，他們想到了有機高分子。
這一突發奇想，給課題組帶來了巨大的驚喜。博士生胡曉珍說：“這些‘改造后’的石墨烯就像一塊塊自帶黏合功能的‘磚塊’，更容易形成液晶。另外，有了有機物的參與，由液晶紡絲而來的纖維材料有了超高的強度和韌性，這樣就解決了20多年來材料科學界無法連續化制備仿貝殼材料的難題。”
目前，課題組已能制成比頭發絲還細的仿貝殼纖維。“我們這項技術的應用面很廣，例如可制成功能性的織物。大家穿上了用仿貝殼纖維材料做的衣服后，不僅能防靜電，還可以防輻射，同時又耐化學腐蝕。”許震說。
也許在未來，人們真的可以像蜘蛛俠那樣，噴出液體迅速凝結成強韌的新型纖維，飄蕩在城市大樓之間。
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（李菲）