比钢铁和陶瓷韧，比塑料硬，贝壳堪称自然界中将无机物的坚硬性与有机物的韧性“完美结合”的典范。科学家们一直想模仿贝壳的结构造出新材料。遗憾的是，二十多年来的尝试一直得不到大批量产品。
日前，这个难题终于被浙江大学的科研人员破解。他们得到的材料不仅坚硬、富有韧性，而且可连续化制备。用它织成的衣服可以防辐射和静电，由于新型纤维质量轻，还可做成更轻便的防弹衣。
这一研究成果近日发表在《自然》旗下的网络开放期刊《科学报告》上。
贝壳中有“灰”与“砖”
“贝壳材料的特性，主要归结于珍珠层特殊的‘砖灰结构’。”此项研究的带头人、浙江大学高分子系教授高超解释说，像砌墙时要用到砖和水泥灰一样，贝壳的珍珠层就像是一层砖垒一层水泥灰有序排列组合而成，这样的结构特别坚固。同时，珍珠层又由一层无机物碳酸钙夹一层有机物生物高分子组成，有机物的参与让贝壳珍珠层有了韧性。
据高超介绍，以前做的仿贝壳材料，大多数功能很单一，要么够硬但韧性不好，要么韧性好却强度不高。“最关键的是，即使研制出既硬又韧的复合材料，也可能发生有机—无机材料之间的排斥分离现象，导致材料不稳定。”
此次研究人员研制的仿贝壳结构复合材料却不会出现这些问题。与自然界的贝壳相比，这种材料甚至还具有更好的柔韧性和超强的抗腐蚀能力，能在酸、碱、盐等条件下维持原有的优异性能。
液晶石墨烯打破仿生局限
在高超看来，前人之所以无法连续化制备出仿贝壳材料，原因在于他们大多将视角局限于对微结构和力学性能的模仿。“前人一般用氧化铝、黏土纳米片等无机物作为‘砖块’。由于这些物质一般较厚，溶解性不好，只能采用过滤或层叠层组装等办法，做出厘米级的薄膜样品。”
此次能突破这一局限，“杀手锏”在于对石墨烯的全新应用。
石墨烯是2004年才被发现的一种超薄二维纳米材料，具有超强的力学性质和良好的导电、导热特性。“我们在偶然中发现，如果经历某些改造，石墨烯的一些特性与贝壳中的组成单元很类似，甚至还要优越。”该课题组博士生许震介绍说。
2011年，高超课题组成功地用纳米级氧化石墨烯片纺制成长达数米的宏观石墨烯纤维。“在这之前，人们很难想象如何将不足一纳米厚的石墨烯片变成宏观纤维材料。”高超说，这一成果的关键在于他们发现并运用了氧化石墨烯的液晶性。
所谓“液晶性”，是指当氧化石墨烯在水等溶剂中的浓度超过某一临界值时，就会自发排列成有序的结构。正是这种有序的内部结构，使研究人员得到的液晶分散液可很好地用于纤维纺制。
有机高分子化解连续制备难题
找到石墨烯作为人工贝壳技术的突破点后，研究人员又开始思考加工效率问题。由于“液晶性”是基于溶解性较好的氧化石墨烯，如何实现石墨烯的连续加工依然是个难题。
为解决这一问题，他们想到了有机高分子。
这一突发奇想，给课题组带来了巨大的惊喜。博士生胡晓珍说：“这些‘改造后’的石墨烯就像一块块自带黏合功能的‘砖块’，更容易形成液晶。另外，有了有机物的参与，由液晶纺丝而来的纤维材料有了超高的强度和韧性，这样就解决了20多年来材料科学界无法连续化制备仿贝壳材料的难题。”
目前，课题组已能制成比头发丝还细的仿贝壳纤维。“我们这项技术的应用面很广，例如可制成功能性的织物。大家穿上了用仿贝壳纤维材料做的衣服后，不仅能防静电，还可以防辐射，同时又耐化学腐蚀。”许震说。
也许在未来，人们真的可以像蜘蛛侠那样，喷出液体迅速凝结成强韧的新型纤维，飘荡在城市大楼之间。（来源：中国科学报 陈彬）
