抗沖擊超級玻璃：貝殼珍珠層仿生材料新突破
當你走過某個名山大川的玻璃棧道，或者某個摩天大樓頂層的玻璃地面，你的內心肯定狂奔過一個問題：這片玻璃真的有這么耐用嗎？對此，我只想說，你真的是在拿青春賭明天啊，朋友！
玻璃材料的獨特光、電、力、熱以及化學性能使得其在社會生活中應用廣泛。然而，玻璃固有的脆性決定了其特別不適合承重使用，否則結構失效會產生極其嚴重的災難性后果。
為了滿足大眾的好奇心，玻璃棧道這種奇葩的產物最終還是應運而生。玻璃棧道常用的就是一種稱之為夾層玻璃的東西，夾層玻璃是由兩個或多個玻璃板與薄聚合物夾層粘合而成，在意外破裂的情況下依然可以實現碎片互鎖，不僅保持了使用安全，而且部分地保留了故障單元的剛度和結構完整性。
今日，來自加拿大McGill University的F. Barthelat團隊受貝殼珍珠層啟發，提出了一種更加抗沖擊的仿生夾層玻璃復合材料，再次證明了自然界可以成為材料技術改進的靈感來源。
歷史演化進程中，大自然產生了許多抗沖擊材料，珍珠層就是其中之一，它可以保護軟體動物的軟體不被捕食者捕獲，或者免受環境惡化。珍珠層具有復雜的分層結構，其中碳酸鈣的扁平多邊形（磚）嵌入有機蛋白質（砂漿）中，并以柱或片的形狀排列。早期研究表明，珍珠層可以提高材料斷裂韌性和延展性。
2016年，中國科學技術大學俞書宏教授團隊通過一種介觀尺度“組裝與礦化”相結合的合成方法，首次成功合成了宏觀尺度仿珍珠母塊體材料，這種人工仿珍珠母材料具有與天然珍珠母高度類似的化學組分、無機含量、多級結構形式以及超常的斷裂強度和斷裂韌性。
珍珠層抵御沖擊主要是通過集體平板滑動機制。在拉伸狀態下，大面積的材料形變引起剪切變形。應變硬化機制，礦物橋以及有機基質的粘彈性響應，防止了單個片層的過度滑動所引發的小應變下的局部失效。這些機制通過珍珠層結構逐漸擴散，所有滑動位置處局部延伸的耦合行為在材料內產生較大的應變，從而提高其在撞擊期間吸收能量的能力。
如今，F. Barthelat團隊的Yin等人將受貝殼珍珠層獨特結構的啟發，實現了抗沖擊夾層玻璃的制造。他們胡搜西安利用脈沖紫外激光束，在厚度為220微米的硼硅酸鹽玻璃板上雕刻六邊形或方形圖案。然后將這些雕刻的玻璃板與125μm厚的乙烯-乙酸乙烯酯夾層進行層壓，并在此過程中將片劑分離。最后得到透明的珍珠質玻璃板比傳統夾層玻璃透光率僅略低一點。
Yin等人的解決方案，有力的證明了珍珠質玻璃具有增強的延展性，并可極大地減少沖擊相關的故障。與普通的夾層玻璃相比，珍珠質玻璃的能量消耗量是普通夾層玻璃的2.5至4倍，普通硼硅酸鹽玻璃的15至24倍。
盡管如此，但是珍珠質玻璃實現高延展性的代價是剛度和強度的降低。這可能會損害用戶的舒適度或引發可能導致結構不穩定和坍塌的屈曲現象。為了解決這些問題，Yin等人建議在珍珠層式建筑中增加一塊普通玻璃板作為前層。模型案例表明，這種配置可以將單位強度提高到夾層玻璃的85％到90％。然而，額外的玻璃板將傾向于以類似于層壓單元中的玻璃元件的方式破裂。
當然，通過方法學可以進一步來優化珍珠質玻璃的性能。然而，與傳統夾層玻璃相關的諸多問題仍然存在，例如在其使用壽命期間由環境條件驅動的分層，邊緣穩定性和聚合物降解等等。解決這些問題，將為將玻璃的使用進一步擴展到更具挑戰性的全新領域提供方案。
參考文獻：
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
