为什么珍珠如此坚韧?

大自然锻造的复合材料很少能像珍珠那样坚韧,现在,科学家们终于弄清楚了这种珠光物质的微小层是如何使其如此强大的。你可以在珍珠的外层和一些软体动物的壳里面找到珍珠层,但是直到现在科学家们还没有真正理解它在纳米尺度下是如何工作的,因为这种表层对应力和应变有很强的抵抗力。

珍珠层坚韧性的秘密在于,当压力施加到珍珠层上时,这种材料的片状表面会锁合在一起,使其能够分散应变。当表面不再受压力时,片状表面则会分散开来。密歇根大学的材料科学家罗伯特·霍夫登表示:“难以置信的是,一种软体动物能在如此多的尺度上制造如此多的结构。它们会制造碳酸钙的单个分子,将其排列成纳米层,然后用有机材料粘合在一起。”。此前的研究中,科学家已经确定了“砖墙”结构的珍珠层,纳米大小的晶体被有机材料粘合在一起。如果你靠得够近,这种结构看起来就像砖墙一样。

令人惊讶的是,珍珠层在受压过程中并没有失去任何抵抗力。试验表明,即使在高达80%屈服强度的反复冲击下,珍珠层的弹性水平也没有下降。如果表面出现裂缝,珍珠层可以隔离出裂缝的纳米片,这样就不会影响表面的其它部分。

在声明中,研究人员认为珍珠层是“自然界中最坚韧的物质”。当然,这实际上取决于你如何去测量所谓的韧性。例如,在莫氏硬度表上,珍珠的等级比较低,大约为2.5,但这只是意味着它可以很容易地被任何更硬的矿物质刮伤。如果我们谈论一种材料的强度,还有其他方面:可以承载多少重量,可以承受多大的压力等等。珍珠层可以承受十分庞大的机械冲击,因此它被公认韧性出色。

现在,这项研究背后的科学家们希望利用他们的发现来开发更强大的人造材料,不是通过计算机模拟,而是受到自然的启发。霍夫登表示:“我们人类可以利用非自然环境制造出更坚硬的材料,但我们不能复制软体动物已经实现的那种纳米工程。将这两种方法结合起来,可能会产生引人注目的新一代材料,而这篇论文就是朝着这个方向迈出的一步。”