受大自然啟發(fā)開發(fā)的新型玻璃更耐沖擊

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珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)與平層滑動(dòng)

類珍珠層玻璃板的制造（節(jié)選部分）

　　玻璃的透明性和耐用性使其成為很多領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)先材料。但無論是汽車玻璃、建筑物玻璃還是智能手機(jī)玻璃顯示屏，玻璃組件總是整個(gè)系統(tǒng)中更薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)美國(guó)“物理學(xué)網(wǎng)”（phys.org）報(bào)道，加拿大麥吉爾大學(xué)的機(jī)械工程師Francois Barthelat等受貝殼啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合玻璃，這種玻璃的抗沖擊性能非常優(yōu)異。

　　提高玻璃耐沖擊性能的策略包括：（1）采用層壓技術(shù)使兩塊或兩塊以上的玻璃板與中間的薄層樹脂等材料緊密貼合在一起；（2）通過加熱和快速冷卻（即回火）使玻璃的硬度提高。然而，Barthelat等認(rèn)為，這些可能都不是解決問題的終結(jié)方案。

　　在過去的15年中，Barthelat等一直致力于研究珍珠層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。珍珠層是一種乳白色的抗沖擊材料，它可以保護(hù)軟體動(dòng)物免受捕食者的攻擊。Barthelat說：“動(dòng)物將體內(nèi)相對(duì)較弱的成分，例如易碎的礦物質(zhì)和柔軟的蛋白質(zhì)等，轉(zhuǎn)化為堅(jiān)固的盔甲�！�

　　珍珠層超強(qiáng)韌性的關(guān)鍵在于其類磚墻結(jié)構(gòu)——它是由多層微觀礦物薄片經(jīng)蛋白質(zhì)黏合后堆疊而成。這些貌似脆弱的碳酸鈣薄片在壓力作用下可以相互滑動(dòng)，吸收沖擊能。為了模擬珍珠層的結(jié)構(gòu)，研究人員使用脈沖紫外線激光束在普通硼硅酸玻璃片上蝕刻了類似結(jié)構(gòu)，然后與塑料薄膜進(jìn)行層壓。英國(guó)諾丁漢大學(xué)結(jié)構(gòu)工程師Kyriaki Corinna Datsiou說：“盡管珍珠層的結(jié)構(gòu)屬性已經(jīng)不是什么秘密，但Barthelat團(tuán)隊(duì)初次將其用于了夾層玻璃材料�！盌atsiou并未參與Barthelat團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目研究，但她為此發(fā)表了觀點(diǎn)文章。Barthelat等認(rèn)為模擬珍珠層的關(guān)鍵在于類瓷磚結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，太長(zhǎng)或太短都容易誘發(fā)斷裂。并且，蝕刻結(jié)構(gòu)必須非常準(zhǔn)確，隨機(jī)性較低，而覆膜層必須具有高度可形變特性。

　　Barthelat等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，他們制造的類珍珠層玻璃比鋼化玻璃或夾層玻璃的抗沖擊強(qiáng)度高2~3倍，比普通玻璃的抗沖擊性強(qiáng)15~24倍。與此同時(shí)，它的透明度僅略遜于傳統(tǒng)夾層玻璃。Barthelat說：“可能很多玻璃材料學(xué)家都會(huì)認(rèn)為，將強(qiáng)激光引入玻璃是一個(gè)壞主意，它會(huì)使玻璃產(chǎn)生缺點(diǎn)并降低強(qiáng)度。然而，我們?cè)O(shè)計(jì)的玻璃卻證實(shí)，看似的弱化過程讓材料性能更好了。此外，我們開發(fā)的制造方法的拓展性也比較好，工業(yè)化的成本較低�！盌atsiou說：“Barthelat等開發(fā)的玻璃有望用于汽車和建筑物�！�

　　類珍珠層玻璃也并非無缺：它的硬度比普通玻璃低10%~15%。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，研究人員建議在類珍珠層玻璃外側(cè)加裝普通玻璃板，這樣可以將整體強(qiáng)度提高到接近夾層玻璃的90%。接下來，研究人員還準(zhǔn)備制造類珍珠層曲面鏡片和超薄觸摸屏。Barthelat說：“我們希望開發(fā)一種可彎曲的類珍珠層玻璃，這種玻璃可以承受非常大程度的形變，并能無傷復(fù)原�！盌atsiou則認(rèn)為，未來的類珍珠層玻璃可能還會(huì)融入其他天然珍珠層特征，這可能對(duì)玻璃材料性能的提升有幫助。