受大自然啟發開發的新型玻璃更耐衝擊

珍珠層的微觀結構與平層滑動。

類珍珠層玻璃板的製造。（節選部分）

玻璃的透明性和耐用性使其成為很多領域應用的首選材料。但無論是汽車玻璃、建築物玻璃還是智能手機玻璃顯示屏，玻璃組件總是整個系統中最薄弱的環節。據美國「物理學網」（phys.org）報道，加拿大麥吉爾大學的機械工程師Francois Barthelat等受貝殼啟發，設計了一種新型複合玻璃，這種玻璃的抗衝擊性能非常優異。

提高玻璃耐衝擊性能的策略包括：（1）採用層壓技術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等認為，這些可能都不是解決問題的最優方案。

在過去的15年中，Barthelat等一直致力於研究珍珠層的結構和力學性能。珍珠層是一種乳白色的抗衝擊材料，它可以保護軟體動物免受捕食者的攻擊。Barthelat說：「動物將體內相對較弱的成分，例如易碎的礦物質和柔軟的蛋白質等，轉化為堅固的盔甲。」

珍珠層超強韌性的關鍵在於其類磚牆結構——它是由多層微觀礦物薄片經蛋白質黏合後堆疊而成。這些貌似脆弱的碳酸鈣薄片在壓力作用下可以相互滑動，吸收衝擊能。為了模擬珍珠層的結構，研究人員使用脈衝紫外線激光束在普通硼硅酸玻璃片上蝕刻了類似結構，然後與塑料薄膜進行層壓。英國諾丁漢大學結構工程師Kyriaki Corinna Datsiou說：「儘管珍珠層的結構屬性已經不是什麼秘密，但Barthelat團隊首次將其用於了夾層玻璃材料。」 Datsiou並未參與Barthelat團隊的項目研究，但她為此發表了觀點文章。Barthelat等認為模擬珍珠層的關鍵在於類瓷磚結構的長度，太長或太短都容易誘發斷裂。並且，蝕刻結構必須非常精確，隨機性較低，而覆膜層必須具有高度可形變特性。

Barthelat等在實驗中發現，他們製造的類珍珠層玻璃比鋼化玻璃或夾層玻璃的抗衝擊強度高2~3倍，比普通玻璃的抗衝擊性強15~24倍。與此同時，它的透明度僅略遜於傳統夾層玻璃。Barthelat說：「可能很多玻璃材料學家都會認為，將強激光引入玻璃是一個壞主意，它會使玻璃產生缺陷並降低強度。然而，我們設計的玻璃卻證實，看似的弱化過程讓材料性能更好了。此外，我們開發的製造方法的拓展性也比較好，工業化的成本較低。」Datsiou說：「Barthelat等開發的玻璃有望用於汽車和建築物。」

類珍珠層玻璃也並非完美：它的硬度比普通玻璃低10%~15%。為了彌補這一缺陷，研究人員建議在類珍珠層玻璃外側加裝普通玻璃板，這樣可以將整體強度提高到接近夾層玻璃的90%。接下來，研究人員還準備製造類珍珠層曲面鏡片和超薄觸摸屏。Barthelat說：「我們希望開發一種可彎曲的類珍珠層玻璃，這種玻璃可以承受較大程度的形變，並能無傷復原。」 Datsiou則認為，未來的類珍珠層玻璃可能還會融入其他天然珍珠層特徵，這可能對玻璃材料性能的提升有幫助。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：阿淼

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