如果讓你從用貝殼做水泥，你的思路什麽？或許是這樣的：貝殼的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），而水泥的主要成分是氧化鈣（CaO）。貝殼經過高溫處理（煆燒）後產生的氧化鈣正是水泥的關鍵成分之一。
這個思路完全正確。在古代，某些文明曾利用貝殼作為建築材料的一部份。例如，古羅馬人用貝殼粉末與其他材料混合制作早期的水泥。這種使用方法顯示了貝殼與水泥在建築歷史上的聯系。
「仿生」貝殼的水泥
不知道你在吃生蠔的時候有沒有仔細觀察過，它的殼是分層的。普林斯頓大學的工程師們也發現了這一細節，受生蠔殼和鮑魚殼材料的啟發，發明了一種新型水泥復合材料，該研究成果發表在【先進功能材料】（【Advanced Functional Materials】）期刊上，其抗裂性比標準水泥高出17倍，拉伸和變形而不斷裂的能力高出19倍。這一發現最終可能有助於提高從混凝土到瓷器等各種脆性陶瓷材料的抗裂性。
普林斯頓大學的研究人員發明了一種抗裂性和延展性均超越傳統水泥漿體的材料
（圖片來源：普林斯頓大學工程學院網站）
該研究由普林斯頓大學土木與環境工程系的Reza Moini教授領導，開發了一種模仿貝殼內部結構的新型水泥復合材料，該結構包括硬的六角形礦物片和軟的生物聚合物層。具體而言，這種復合材料采用交替層疊的水泥糊和聚合物薄片，大大提高了其抗裂性和韌性。
Moini的實驗室經常從生物學中尋找建築材料方面的靈感。
在這種情況下，該團隊開發了一種復合材料，靈感來自一種名為珍珠層或珍珠母的天然材料，這種材料存在於某些貝類（如生蠔和鮑魚）的內部。它由無機的碳酸鈣微片（主要是文石）和有機的蛋白質層交替組成。
珍珠層不僅具有高度的硬度和強度，還具備極好的韌性和抗裂性。其微觀結構特征是由緊密排列的六邊形片狀晶體形成，這些晶體透過有機質膠結在一起，使得珍珠層能夠在受到應力時有效地分散和吸收能量，從而防止破裂。珍珠層的獨特結構和效能使其成為研究仿生材料和新型復合材料的重要靈感來源。
自然和合成珍珠層狀復合材料的結構
（圖片來源：參考文獻1）
「仿生水泥」具有更好的抗裂性和延展性
研究團隊利用波特蘭水泥漿（由波特蘭水泥與水混合而成的漿狀材料）等傳統建築材料與有限的有機聚合物相結合。他們將水泥漿片層與高拉伸性聚合物聚乙烯基矽氧烷交替使用。
研究人員透過交替使用水泥漿片和聚合物薄層來制造多層小梁。然後對這些梁進行缺口三點彎曲試驗，其中每根梁都在彎曲狀態下進行測試，以評估抗裂性（或斷裂韌性）。
透過交替使用水泥漿片和聚合物薄層來制造多層小梁
（圖片來源：普林斯頓大學工程學院網站）
在實驗中，研究人員制作了三種類別的梁。
第一種由交替的水泥漿片和薄聚合物層組成。
對於第二種類別，他們使用激光在水泥漿片上雕刻六角形凹槽，然後將這些凹槽片堆疊起來，中間夾有薄聚合物層。
第三種類別與第二種類似，但研究人員完全切穿了水泥，形成了由聚合物層連線的分離的六角形片。這些水泥漿片位於聚合物層之上，類似於珍珠層中霰石位於生物聚合物層上的方式。
研究人員將這三種類別與參考固體（整體式）鑄造水泥漿對應物進行了比較。
用激光在水泥漿片上雕刻六角形凹槽
(來源：參考文獻1的支持檔)
具有交替層的梁表現出更高的延展性和抗開裂性。
(影片來源：參考文獻1的支持檔)
貝類其他的仿生研究
這已經不是科學家們第一次對貝類進行仿生研究了，貝殼結構對科學家的啟發不僅套用於水泥材料的研發，在其他領域也引發了眾多仿生研究。：
1.仿生生蠔濾水技術：高效水凈化系統的自然靈感
生蠔對於保持海洋清潔必不可少，一只生蠔每天能夠過濾多達二十幾升的海水，清除水中的藻類、浮遊生物和其他顆粒。
利用生蠔的濾水機制開發的高效水凈化系統，透過模仿生蠔的自然濾食過程來清除水中的雜質和汙染物。仿生凈化系統采用類似的微孔結構和流體動力學原理，設計出能夠高效過濾水中懸浮顆粒、微生物和有害物質的過濾裝置，顯著提高水凈化效率和水質。
2.基於錐螺毒刺機制的高效無痛註射器
研究人員利用錐螺的毒刺機制開發出了一種高效無痛註射器，減少醫療過程中的疼痛和感染風險。錐螺的毒刺具有精細且強力的刺入能力，能夠迅速且無痛地註射毒液。仿生註射器模仿了這種機制，采用超細針頭和特殊註射設計，實作了無痛且高效的藥物遞送，大幅提升了患者的舒適度和安全性。
3、基於貽貝粘附蛋白的水下粘合劑
研究人員利用貽貝的粘附蛋白開發出一種高效的水下粘合劑，貽貝能夠在潮濕和水下環境中強力粘附在各種表面上，其粘附蛋白中含有大量的多巴胺類分子，這些分子能夠與多種材料形成穩定的化學鍵。
仿生水下粘合劑模仿了這一機制，透過合成類似多巴胺的聚合物，能夠在水下環境中實作強力粘附，套用於海洋工程和醫療手術中的組織粘合和修復
結語
貝殼的仿生研究展示了自然界的智慧對材料科學的深遠影響。透過模仿和改進自然界中的結構，科學家們能夠開發出具有優異效能的新材料，這些材料在各個領域都有著廣泛的套用前景。未來，隨著仿生技術的不斷進步，我們可以期待更多具有創新性的材料被開發出來。
參考文獻：
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出品：科普中國
作者：Denovo團隊
監制：中國科普博覽
