受大自然启发开发的新型玻璃更耐冲击

珍珠层的微观结构与平层滑动。

类珍珠层玻璃板的制造。（节选部分）

玻璃的透明性和耐用性使其成为很多领域应用的首选材料。但无论是汽车玻璃、建筑物玻璃还是智能手机玻璃显示屏，玻璃组件总是整个系统中最薄弱的环节。据美国“物理学网”（phys.org）报道，加拿大麦吉尔大学的机械工程师Francois Barthelat等受贝壳启发，设计了一种新型复合玻璃，这种玻璃的抗冲击性能非常优异。

提高玻璃耐冲击性能的策略包括：（1）采用层压技术使两块或两块以上的玻璃板与中间的薄层树脂等材料紧密贴合在一起；（2）通过加热和快速冷却（即回火）使玻璃的硬度提高。然而，Barthelat等认为，这些可能都不是解决问题的最优方案。

在过去的15年中，Barthelat等一直致力于研究珍珠层的结构和力学性能。珍珠层是一种乳白色的抗冲击材料，它可以保护软体动物免受捕食者的攻击。Barthelat说：“动物将体内相对较弱的成分，例如易碎的矿物质和柔软的蛋白质等，转化为坚固的盔甲。”

珍珠层超强韧性的关键在于其类砖墙结构——它是由多层微观矿物薄片经蛋白质黏合后堆叠而成。这些貌似脆弱的碳酸钙薄片在压力作用下可以相互滑动，吸收冲击能。为了模拟珍珠层的结构，研究人员使用脉冲紫外线激光束在普通硼硅酸玻璃片上蚀刻了类似结构，然后与塑料薄膜进行层压。英国诺丁汉大学结构工程师Kyriaki Corinna Datsiou说：“尽管珍珠层的结构属性已经不是什么秘密，但Barthelat团队首次将其用于了夹层玻璃材料。” Datsiou并未参与Barthelat团队的项目研究，但她为此发表了观点文章。Barthelat等认为模拟珍珠层的关键在于类瓷砖结构的长度，太长或太短都容易诱发断裂。并且，蚀刻结构必须非常精确，随机性较低，而覆膜层必须具有高度可形变特性。

Barthelat等在实验中发现，他们制造的类珍珠层玻璃比钢化玻璃或夹层玻璃的抗冲击强度高2~3倍，比普通玻璃的抗冲击性强15~24倍。与此同时，它的透明度仅略逊于传统夹层玻璃。Barthelat说：“可能很多玻璃材料学家都会认为，将强激光引入玻璃是一个坏主意，它会使玻璃产生缺陷并降低强度。然而，我们设计的玻璃却证实，看似的弱化过程让材料性能更好了。此外，我们开发的制造方法的拓展性也比较好，工业化的成本较低。”Datsiou说：“Barthelat等开发的玻璃有望用于汽车和建筑物。”

类珍珠层玻璃也并非完美：它的硬度比普通玻璃低10%~15%。为了弥补这一缺陷，研究人员建议在类珍珠层玻璃外侧加装普通玻璃板，这样可以将整体强度提高到接近夹层玻璃的90%。接下来，研究人员还准备制造类珍珠层曲面镜片和超薄触摸屏。Barthelat说：“我们希望开发一种可弯曲的类珍珠层玻璃，这种玻璃可以承受较大程度的形变，并能无伤复原。” Datsiou则认为，未来的类珍珠层玻璃可能还会融入其他天然珍珠层特征，这可能对玻璃材料性能的提升有帮助。

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编译：雷鑫宇 

审稿：阿淼  

责编：张梦 

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2019-06-glass-nature-resistant-impacts.html

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