贝壳也能“变”水泥？

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

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如果让你从用贝壳做水泥，你的思路什么？或许是这样的：贝壳的主要成分是碳酸钙（CaCO3），而水泥的主要成分是氧化钙（CaO）。贝壳经过高温处理（煅烧）后产生的氧化钙正是水泥的关键成分之一。

这个思路完全正确。在古代，某些文明曾利用贝壳作为建筑材料的一部分。例如，古罗马人用贝壳粉末与其他材料混合制作早期的水泥。这种使用方法显示了贝壳与水泥在建筑历史上的联系。

“仿生”贝壳的水泥

不知道你在吃生蚝的时候有没有仔细观察过，它的壳是分层的。普林斯顿大学的工程师们也发现了这一细节，受生蚝壳和鲍鱼壳材料的启发，发明了一种新型水泥复合材料，该研究成果发表在《先进功能材料》（《Advanced Functional Materials》）期刊上，其抗裂性比标准水泥高出17倍，拉伸和变形而不断裂的能力高出19倍。这一发现最终可能有助于提高从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的抗裂性。

普林斯顿大学的研究人员发明了一种抗裂性和延展性均超越传统水泥浆体的材料

（图片来源：普林斯顿大学工程学院网站）

该研究由普林斯顿大学土木与环境工程系的Reza Moini教授领导，开发了一种模仿贝壳内部结构的新型水泥复合材料，该结构包括硬的六角形矿物片和软的生物聚合物层。具体而言，这种复合材料采用交替层叠的水泥糊和聚合物薄片，大大提高了其抗裂性和韧性。

Moini的实验室经常从生物学中寻找建筑材料方面的灵感。

在这种情况下，该团队开发了一种复合材料，灵感来自一种名为珍珠层或珍珠母的天然材料，这种材料存在于某些贝类（如生蚝和鲍鱼）的内部。它由无机的碳酸钙微片（主要是文石）和有机的蛋白质层交替组成。

珍珠层不仅具有高度的硬度和强度，还具备极好的韧性和抗裂性。其微观结构特征是由紧密排列的六边形片状晶体形成，这些晶体通过有机质胶结在一起，使得珍珠层能够在受到应力时有效地分散和吸收能量，从而防止破裂。珍珠层的独特结构和性能使其成为研究仿生材料和新型复合材料的重要灵感来源。

自然和合成珍珠层状复合材料的结构

（图片来源：参考文献1）

“仿生水泥”具有更好的抗裂性和延展性

研究团队利用波特兰水泥浆（由波特兰水泥与水混合而成的浆状材料）等传统建筑材料与有限的有机聚合物相结合。他们将水泥浆片层与高拉伸性聚合物聚乙烯基硅氧烷交替使用。

研究人员通过交替使用水泥浆片和聚合物薄层来制造多层小梁。然后对这些梁进行缺口三点弯曲试验，其中每根梁都在弯曲状态下进行测试，以评估抗裂性（或断裂韧性）。

通过交替使用水泥浆片和聚合物薄层来制造多层小梁

（图片来源：普林斯顿大学工程学院网站）

在实验中，研究人员制作了三种类型的梁。

第一种由交替的水泥浆片和薄聚合物层组成。

对于第二种类型，他们使用激光在水泥浆片上雕刻六角形凹槽，然后将这些凹槽片堆叠起来，中间夹有薄聚合物层。

第三种类型与第二种类似，但研究人员完全切穿了水泥，形成了由聚合物层连接的分离的六角形片。这些水泥浆片位于聚合物层之上，类似于珍珠层中霰石位于生物聚合物层上的方式。

研究人员将这三种类型与参考固体（整体式）铸造水泥浆对应物进行了比较。

用激光在水泥浆片上雕刻六角形凹槽

(视频来源：参考文献1的支持文件)

实验表明，参考梁的断裂是脆性的——这意味着梁在达到其断裂点时会突然完全断裂，没有延展性。具有交替层的梁（无论是带槽的还是不带槽的）表现出更高的延展性和抗开裂性。

具有交替层的梁表现出更高的延展性和抗开裂性。

(动图来源：参考文献1的支持文件)

最显著的结果出现在具有完全分离的六角形薄片的梁中（第三种类型），这些薄片更类似于珍珠层。这些梁的延展性是固体水泥浆梁的19倍，断裂韧性是固体水泥浆梁的17倍，同时强度几乎相同。为将来改善脆性陶瓷材料（如混凝土和瓷器）的抗裂性能提供了新的可能性。

贝类其他的仿生研究

这已经不是科学家们第一次对贝类进行仿生研究了，贝壳结构对科学家的启发不仅应用于水泥材料的研发，在其他领域也引发了众多仿生研究：

1.仿生生蚝滤水技术：高效水净化系统的自然灵感

生蚝对于保持海洋清洁必不可少，一只生蚝每天能够过滤多达二十几升的海水，清除水中的藻类、浮游生物和其他颗粒。

利用生蚝的滤水机制开发的高效水净化系统，通过模仿生蚝的自然滤食过程来清除水中的杂质和污染物。仿生净化系统采用类似的微孔结构和流体动力学原理，设计出能够高效过滤水中悬浮颗粒、微生物和有害物质的过滤装置，显著提高水净化效率和水质。

2.基于锥螺毒刺机制的高效无痛注射器

研究人员利用锥螺的毒刺机制开发出了一种高效无痛注射器，减少医疗过程中的疼痛和感染风险。锥螺的毒刺具有精细且强力的刺入能力，能够迅速且无痛地注射毒液。仿生注射器模仿了这种机制，采用超细针头和特殊注射设计，实现了无痛且高效的药物递送，大幅提升了患者的舒适度和安全性。

3、基于贻贝粘附蛋白的水下粘合剂

研究人员利用贻贝的粘附蛋白开发出一种高效的水下粘合剂，贻贝能够在潮湿和水下环境中强力粘附在各种表面上，其粘附蛋白中含有大量的多巴胺类分子，这些分子能够与多种材料形成稳定的化学键。

仿生水下粘合剂模仿了这一机制，通过合成类似多巴胺的聚合物，能够在水下环境中实现强力粘附，应用于海洋工程和医疗手术中的组织粘合和修复

结语

贝壳的仿生研究展示了自然界的智慧对材料科学的深远影响。通过模仿和改进自然界中的结构，科学家们能够开发出具有优异性能的新材料，这些材料在各个领域都有着广泛的应用前景。未来，随着仿生技术的不断进步，我们可以期待更多具有创新性的材料被开发出来。

参考文献：

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.