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貝殼結(jié)構(gòu)可將玻璃強(qiáng)度提高200倍

來源:科技日報 2014/2/7 9:31:47

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中玻網(wǎng)玻璃有很多用途,它透明、堅固、抗化學(xué)腐蝕、好耐用,但非常大缺點(diǎn)就是脆而易碎。據(jù)物理學(xué)家籌備網(wǎng)1月28日報道,較近,加拿大麥吉爾大學(xué)工程師在貝殼的啟發(fā)下,開發(fā)出一種新型結(jié)構(gòu)玻璃,強(qiáng)度超過一般標(biāo)準(zhǔn)玻璃的200倍。相關(guān)論文發(fā)表在本周的《自然·通訊》雜志上。
  
  研究小組深入研究了一些天然材料,如貝殼、骨頭、指甲等,雖然它們都是由脆性的礦物質(zhì)組成,卻有著驚人的韌性和恢復(fù)能力,秘密就在于這些礦物質(zhì)“結(jié)合”在一起,形成了一種更大、更堅固的結(jié)構(gòu)單位。
  
  “結(jié)合”的意思是,貝殼里包含了大量微小的裂隙線,也叫接口。研究人員解釋說,從表面上看這好像削弱了材料的強(qiáng)度和堅固性,但實際上,這是一種精妙的壓力偏導(dǎo)器,能將外部壓力有效地轉(zhuǎn)向分化。比如某些貝殼的發(fā)光內(nèi)殼層,也叫珍珠母,強(qiáng)度比組成其本身的礦物質(zhì)要高3000倍。
  
  “引入削弱性的‘接口’會讓材料變得更堅固,似乎與人們的直覺相悖,但在天然材料中,這卻是一種被普遍采用的強(qiáng)大策略。”研究人員說。利用這種天然策略,他們用一種3維激光在多聚玻璃中刻下一些微小的裂紋,并讓微裂紋布滿玻璃內(nèi)部,結(jié)果該玻璃的強(qiáng)度提高了200倍,而且在承受沖擊力方面變得更好,受到力度強(qiáng)沖擊時它會輕微彎曲,而不是立即碎掉。而且這種裂紋玻璃還能被“拉伸”,在被拉斷前能伸長約5%,普通玻璃只有0.1%。
  
  論文合著者、麥吉爾大學(xué)力學(xué)工程系的弗朗科西斯·巴斯萊特說:“一個用普通玻璃制成的容器掉在地上,很可能會摔得粉碎;但如果用這種仿生玻璃制成容器,掉在地上可能會摔變形而不會完全摔碎。摔幾次之后,它可能還能用。”
  
  貝殼由易碎的礦物質(zhì)組成,但卻堅硬而有韌性。較初在模仿貝殼結(jié)構(gòu)時,研究人員試圖造出一種微小的“基本模塊”,再通過組裝方式來建造一種新材料,就像建造一面微結(jié)構(gòu)墻。“后來我們反其道而行之,從一大塊沒有微結(jié)構(gòu)的材料開始,然后在其內(nèi)部刻出接口。”巴斯萊特說。
  
  在玻璃中引入網(wǎng)狀的微小裂痕,會讓它變得更堅固,新方法以一種“非常經(jīng)濟(jì)”的方式克服了玻璃易碎的缺點(diǎn)。“只需一束激光脈沖,準(zhǔn)確地聚焦到事先確定的位置。我們的3維激光雕刻技術(shù)還能很容易地升級,用在不同形狀的更大、更厚的材料上。”巴斯萊特說。(常麗君)

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