天然珍珠層和合成珍珠層的比較圖使一種材料能夠同時具有較高的強度和較好的韌性，這對于材料科學家和工程師來說無疑是一項巨大的挑戰。但大自然卻成功地將不同的結構要素結合在一起，形成了既堅硬又具有韌性的材料，從而獲得了突出的性能。珍珠層或珍珠母就是一種由硬組分和軟組分材料組成的，同時又具有高強度和高斷裂韌性的典型例子。珍珠層是由文石晶體與有機基質交錯排列而成的一種結構，利用X射線衍射（XRD）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察，會呈現出規整有序的“磚墻”式結構。產生這種珍珠的珠母貝內側也具有與此相同的結構。通常將這種碳酸鈣與貝殼硬蛋白形成的結構稱為珍珠層。這種天然生物材料的組織結構特征及其與性能間的關系研究對于材料的仿生設計有著重要的意義。

    來自麻省理工學院和意大利米蘭理工大學的研究人員通過使用添加劑制造技術，制造出了模擬珍珠層優秀特性的人造混合材料。Markus J. Buehler和他的團隊認為，珍珠層具有優異特性的關鍵是被忽視的微觀結構特征，這種顯微結構也被人們稱為“礦物橋”（MB）。

    Markus J. Buehler解釋說：“珍珠層的物理結構通常被稱為‘磚瓦砂漿’結構，在這種結構中，硬質文石材料（磚）與軟質生物聚合物（砂漿）膠合在一起。但對珍珠層的更詳細的分析表明，這種結構被更好地描述為一種‘磚橋實體’結構。”

    珍珠層結構磚之間的橋梁為材料帶來了額外的強度和剛度。

    Markus J. Buehler指出：“珍珠層的獨特之處在于，它能通過摻入5％的軟生物聚合物材料，獲得比單獨的硬質文石更高的韌性。”

    他補充說，這種對物理性質的放大，在合成材料中是前所未有的。但是Buehler和他的團隊想要確切研究的是，MBs（礦物橋）的加入和含量的多少是如何影響這些屬性的。研究人員利用3D打印技術，在軟質聚合物基質中同時打印礦物磚和橋梁，并將不同比例的磚與砂漿和MBs（礦物橋）的數量進行了分析。

    過多礦物質的加入，會使珍珠層復合材料的強度降低脆弱；而當礦物質含量過少時，材料的力學性能又表現的不夠剛硬。但是，研究人員的研究結果表明，只有正確的礦物含量（70％）和MB（9-12％）數量，才會使得材料的韌性和強度都有明顯的提高。

    Buehler說：“我們的研究結果證明了體積分數對韌性強度有著主要影響，這一發現使得僅通過調整結構特征的尺寸大小和內容從而來調整復合材料的性能成為可能。

    研究人員認為，當MBs（礦物橋）穿過復合材料時，MBs的存在會使裂縫的軌跡發生偏轉。代替原來材料的自由曲折，MBs迫使裂縫遵循塊狀圖案的偏轉，這與強度的增加有很大關系。

    研究人員相信，除了其他結構特征以外，他們系統的方法將有助于推動生物復合材料的優化，從而可以滿足工程應用方面上的挑戰。

    Buehler補充說：“該技術還可以為飛機、建筑物和車輛等各種結構制造特定的材料。”

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責任編輯：殷鵬飛

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