一根數(shù)十米長的仿貝殼纖維（浙大高分子系提供）
    
    
    仿貝殼纖維的層狀結構（浙大高分子系提供）
    
    “貝殼很小，卻非常堅硬和精致。”這是席慕容對貝殼的描述。而高分子材料領域的科學們卻發(fā)現(xiàn)，貝殼不但堅硬，而且還很有“韌（任）性”，這主要歸結于貝殼珍珠層的特殊結構。近日，浙大高分子系高超課題組成功解決了“貝殼珍珠層結構的復合材料”制備難題，得到的材料不僅堅硬而富有韌性，而且可以連續(xù)化制備。這一成果公布在最新一期10月24日的《自然》旗下的網絡開放期刊《Scientific Reports》上。
    
    貝殼的珍珠層由磚灰結構組成。“就像我們砌墻時要用到的磚和水泥灰一樣，貝殼的珍珠層就象是用一層磚壘一層水泥灰有序地排列組合而成的，”高超說，這樣的結構特別堅固。更何況，珍珠層是由一層無機物——碳酸鈣、夾一層有機物——生物高分子組成。“因為有了有機物的參與，所以貝殼珍珠層有了韌性”。
    
    “以前做的仿貝殼材料中，絕大多數(shù)功能都很單一，要么夠硬但韌性不好，不然就是韌性好卻強度不高，達不到像貝殼珍珠層那樣的‘完美組合’。”高超說，最關鍵的是，即使研制出一種既硬又韌的復合材料，也可能會發(fā)生有機-無機材料之間的“排斥”分離現(xiàn)象，導致材料不穩(wěn)定。“我們研制的仿貝殼結構復合材料就不會出現(xiàn)這些問題，與自然界的貝殼相比，我們的材料具有更好的柔韌性和超強的抗腐蝕能力，能夠在酸、堿、鹽等條件下維持原有的優(yōu)異性能。”
    
    其實，人類對貝殼珍珠層的研究歷史已有半個世紀，各種仿貝殼材料也層出不窮，但是都限于對微結構和力學性能的模仿，而且還沒有辦法將材料做到需要的尺度。前人一般用氧化鋁、粘土納米片等無機物作為“磚塊”，由于這些“磚塊”較厚，溶解性不好，只能采用過濾或層-疊-層組裝等辦法做出厘米級的薄膜樣品。高超說，目前我們制備仿貝殼材料的“殺手锏”就是石墨烯，一種超薄的二維納米材料，它具有超強的力學性質和良好的導電、導熱特性。“這是我們課題組前一階段紡絲成果的進一步發(fā)展，偶然中發(fā)現(xiàn)，‘改造后’的石墨烯的一些特性與貝殼中的組成單元很類似，并且性能還比貝殼來的優(yōu)越。”
    
    近年來，高超團隊發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的液晶性，即氧化石墨烯在水等溶劑中的濃度超過某一臨界值時，就會自發(fā)排列成有序的結構。“因為石墨烯是一種很薄的材料，我們試著在其表面上均勻地‘涂’上點有機高分子，即一種含多羥基的超支化聚合物，‘改造后’的石墨烯很容易被溶解，并能形成液晶，而且會按一定規(guī)則排好隊，”高超說，“我們驚喜的發(fā)現(xiàn)，這些‘改造后’的石墨烯就像一塊塊自帶粘合功能的‘磚塊’，可以讓我們隨心所欲地進行搭建，想讓它壘成線，就得到仿貝殼纖維；讓它壘成面，就得到仿貝殼‘紙’，這樣也就解決了20多年來材料科學界無法連續(xù)化制備仿貝殼材料的難題。”
    
    目前，高超課題組的研究人員已經能夠制成比頭發(fā)絲還要細的仿貝殼纖維。“我們這一項技術的應用面是很廣的，如制作成功能性的織物。大家穿上了用仿貝殼纖維材料做的衣服后，不僅能防靜電，還可以防輻射，同時又耐化學腐蝕。”高超說。
    
    （潘怡蒙）