抗冲击超级玻璃：贝壳珍珠层仿生材料新突破

当你走过某个名山大川的玻璃栈道，或者某个摩天大楼顶层的玻璃地面，你的内心肯定狂奔过一个问题：这片玻璃真的有这么耐用吗？对此，我只想说，你真的是在拿青春赌明天啊，朋友！

玻璃材料的独特光、电、力、热以及化学性能使得其在社会生活中应用广泛。然而，玻璃固有的脆性决定了其特别不适合承重使用，否则结构失效会产生极其严重的灾难性后果。

为了满足大众的好奇心，玻璃栈道这种奇葩的产物最终还是应运而生。玻璃栈道常用的就是一种称之为夹层玻璃的东西，夹层玻璃是由两个或多个玻璃板与薄聚合物夹层粘合而成，在意外破裂的情况下依然可以实现碎片互锁，不仅保持了使用安全，而且部分地保留了故障单元的刚度和结构完整性。

今日，来自加拿大McGill University的F. Barthelat团队受贝壳珍珠层启发，提出了一种更加抗冲击的仿生夹层玻璃复合材料，再次证明了自然界可以成为材料技术改进的灵感来源。

历史演化进程中，大自然产生了许多抗冲击材料，珍珠层就是其中之一，它可以保护软体动物的软体不被捕食者捕获，或者免受环境恶化。珍珠层具有复杂的分层结构，其中碳酸钙的扁平多边形（砖）嵌入有机蛋白质（砂浆）中，并以柱或片的形状排列。早期研究表明，珍珠层可以提高材料断裂韧性和延展性。

2016年，中国科学技术大学俞书宏教授团队通过一种介观尺度“组装与矿化”相结合的合成方法，首次成功合成了宏观尺度仿珍珠母块体材料，这种人工仿珍珠母材料具有与天然珍珠母高度类似的化学组分、无机含量、多级结构形式以及超常的断裂强度和断裂韧性。

珍珠层抵御冲击主要是通过集体平板滑动机制。在拉伸状态下，大面积的材料形变引起剪切变形。应变硬化机制，矿物桥以及有机基质的粘弹性响应，防止了单个片层的过度滑动所引发的小应变下的局部失效。这些机制通过珍珠层结构逐渐扩散，所有滑动位置处局部延伸的耦合行为在材料内产生较大的应变，从而提高其在撞击期间吸收能量的能力。

如今，F. Barthelat团队的Yin等人将受贝壳珍珠层独特结构的启发，实现了抗冲击夹层玻璃的制造。他们胡搜西安利用脉冲紫外激光束，在厚度为220微米的硼硅酸盐玻璃板上雕刻六边形或方形图案。然后将这些雕刻的玻璃板与125μm厚的乙烯-乙酸乙烯酯夹层进行层压，并在此过程中将片剂分离。最后得到透明的珍珠质玻璃板比传统夹层玻璃透光率仅略低一点。

Yin等人的解决方案，有力的证明了珍珠质玻璃具有增强的延展性，并可极大地减少冲击相关的故障。与普通的夹层玻璃相比，珍珠质玻璃的能量消耗量是普通夹层玻璃的2.5至4倍，普通硼硅酸盐玻璃的15至24倍。

尽管如此，但是珍珠质玻璃实现高延展性的代价是刚度和强度的降低。这可能会损害用户的舒适度或引发可能导致结构不稳定和坍塌的屈曲现象。为了解决这些问题，Yin等人建议在珍珠层式建筑中增加一块普通玻璃板作为前层。模型案例表明，这种配置可以将单位强度提高到夹层玻璃的85％到90％。然而，额外的玻璃板将倾向于以类似于层压单元中的玻璃元件的方式破裂。

当然，通过方法学可以进一步来优化珍珠质玻璃的性能。然而，与传统夹层玻璃相关的诸多问题仍然存在，例如在其使用寿命期间由环境条件驱动的分层，边缘稳定性和聚合物降解等等。解决这些问题，将为将玻璃的使用进一步扩展到更具挑战性的全新领域提供方案。

参考文献：

1. Z. Yin et al. Impact-resistantnacre-like transparent materials. Science 2019, 364, 1260-1263.

https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1260

2. Li-Bo Mao et al. Synthetic nacre bypredesigned matrix-directed mineralization. Science 2016, 354, 107-110.

https://science.sciencemag.org/content/354/6308/107

3. Kyriaki Corinna Datsiou. Bioinspiredimprovement of laminated glass. Science 2019, 364, 1232-1233.

https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1232