海鲜里的新型水泥！抗裂性能是常规水泥的17倍，可拉伸性是19倍！

十大品牌 2025年10月25日 04:27 0 admin

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编辑：欣阅

普林斯顿大学的工程师们从牡蛎和鲍鱼壳中的材料中获得灵感，开发了一种新的水泥复合材料。

这种创新材料的抗裂性是传统水泥的17倍，柔韧性和可变形性是传统水泥的19倍。这一突破可以显著提高从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的抗裂性。

这一发表在《先进功能材料》期刊的研究成果，不仅为解决建筑行业的安全性和耐久性问题提供了革命性方案，更在水泥生产占全球温室气体排放量8%的背景下，为可持续建筑技术的发展指明了新方向。

通过在脆性材料中有意设计缺陷来增强整体强度，这种反直觉的工程理念正在挑战传统材料科学的基本假设。

故事的灵感，来源于大海。你见过牡蛎壳或者鲍鱼壳内侧那层闪着彩虹光泽的薄层吗？它叫珍珠母，或者叫珍珠层。这东西看起来薄薄脆脆，实际上却拥有超乎想象的韧性，能保护柔软的贝肉免受外界的冲击和捕食者的攻击。

科学家们把珍珠母放到显微镜下，发现了它惊人的内部构造。它根本不是一整块铁板，而是一种精巧的“微型砖墙”。构成“砖块”的，是无数微小的六边形文石矿物薄片，它们坚硬无比，提供了材料的基础强度。

而把这些“砖块”紧密粘合在一起的“水泥”，则是一种柔软的生物聚合物。正是这两种一硬一软的材料，像搭积木一样层层堆叠，才造就了珍珠母的传奇性能。

当珍珠母受到外力冲击时，奇迹发生了。坚硬的矿物薄片会发生极其微小的滑动，而柔软的聚合物则像弹簧一样拉伸、变形。裂缝想要穿透它？没那么容易！它会被迫在坚硬的“砖块”之间绕来绕去，能量在这个过程中被一点点耗散掉，最终无法形成致命的贯穿性断裂。

这给普林斯顿的研究团队带来了最核心的启示：真正的强大，不是靠硬碰硬，而是源于内部微观结构的协同合作。软与硬的完美结合，才是抵御破坏的关键智慧。

普林斯顿大学土木与环境工程助理教授雷扎·莫伊尼和他的团队，决定把大自然的这套“建筑法则”搬到实验室里来。他们的目标很明确：将这一原理“转译”到我们最常用但也最脆的材料之一——水泥身上。

当然，他们不是要真的在水泥里养贝壳。他们需要找到合适的现代工业材料来扮演“砖块”和“水泥”的角色。硬质部分，他们选用了最常见的波特兰水泥浆。而软质部分，则由一种叫作聚乙烯醇硅氧烷的高度可拉伸聚合物来担当。

莫伊尼实验室的研究生沙尚克·古普塔主导了实验。他们没有一步到位，而是设计了一系列层层递进的方案来模仿珍珠母的结构。

最初，他们只是简单地将水泥浆薄片和聚合物薄层交替叠在一起。这有点意思，但还不够。接着，他们升级了工艺，用激光在水泥浆薄片上雕刻出六边形的凹槽，再与聚合物结合。这已经有点形似了。

而最终的突破性方案，也是最接近珍珠母精髓的设计：他们将水泥浆完全切割成一个个独立的六角形“瓦片”，然后用柔软的聚合物层将这些小瓦片们连接起来，形成一种高度模块化的结构。这几乎就是珍珠母微观世界的工程再现。

为了检验成果，团队进行了带缺口梁的三点弯曲试验。结果让所有人为之振奋。与同样配方的整体实心水泥梁相比，这种新型复合材料的表现堪称“逆天”。

普通水泥梁在达到受力极限时，会毫无征兆地“啪”一声瞬间断成两截，这就是典型的脆性破坏。而这种新型材料呢？它在断裂前能够发生巨大的弯曲变形。数据显示，它的断裂韧性，也就是抵抗裂缝扩展的能力，是传统水泥的整整17倍！而它的延展性或柔韧性，更是达到了惊人的19倍！

更关键的是，在韧性和柔性实现如此巨大飞跃的同时，它的整体强度竟然与实心水泥梁几乎持平。这意味着，他们找到了一种在不牺牲强度的前提下，极大增强耐久性的方法。

这项研究最深刻，也是最反直觉的发现，其实藏在一个悖论里：精心设计的“缺陷”，恰恰是通往超级韧性的康庄大道。在传统材料学中，裂缝、界面和不连续性通常被视为“弱点”，是需要极力避免的。

但在莫伊尼团队的设计中，这些“弱点”被赋予了全新的使命。传统水泥之所以脆弱，是因为一旦出现微小裂纹，它就会像撕开一张纸一样，毫无阻碍地迅速扩展，直至整个结构崩塌。

而在他们的新材料里，每一层聚合物，每一个六角瓦片之间的缝隙，都构成了一个微型的“裂缝断路器”。当一条裂缝试图穿过材料时，它不得不面对成千上万个这样的障碍。

它必须耗费巨大的能量去绕过坚硬的瓦片，在柔软的聚合物中拉伸变形，能量就在这个过程中被吸收和分散了。一次致命的宏观断裂，被巧妙地转化成了无数次可控的、微不足道的微观变形。

“我们实际上是通过设计，在一种脆性材料中有意地植入了‘缺陷’，从而让它变得更坚固，”莫伊尼一语道破了其中的玄机。他强调，团队的目标从来不是机械地去模仿贝壳的外观，而是去学习和应用其背后的基本工作原理。

这种化“弱点”为“功能性结构”的设计哲学，无疑为整个脆性材料领域，比如混凝土、陶瓷甚至瓷器，都提供了一个全新的强化思路。

这不仅仅是创造了一种性能卓越的新水泥。更重要的是，它向我们展示了一种全新的思维方式：面对看似棘手的问题时，答案有时就隐藏在那些我们习以为常、甚至试图消除的“缺陷”之中。

当然，正如研究团队坦诚的那样，目前所有的成果都还停留在实验室阶段。如何将这种精密的叠层工艺规模化，开发出能真正在建筑工地上使用的技术，是他们接下来需要攻克的难题。同时，这套方法是否也适用于其他陶瓷材料，同样有待进一步的验证。

但无论如何，一个全新的世界已经被打开了。用莫伊尼的话说：“我们现在只是触及了表面。”在未来的材料、界面和几何结构设计中，还有着几乎无限的探索空间。或许在不久的将来，我们就能见到那种既坚如磐石又柔韧如贝的“超级混凝土”，构建起更安全、更耐用的未来世界。

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