牡蛎壳启发的复合材料表明，顺序导致强度

贝类是许多工程创新的一个稍微令人惊讶的灵感来源。古老的无脊椎动物是地球上最古老的生命形式之一，它们进化出了许多人类聪明才智无法比拟的技巧，并试图模仿它们度过一生;粘合剂、颜料和水过滤系统的灵感都来自于我们的贝壳朋友。

这些生物最明显的特征——它们的外壳——也给工程师们带来了灵感。纽约市哥伦比亚大学的一个团队，与来自纽约州伦斯勒理工大学、南卡罗来纳大学和法国里昂布里louin实验室(法国国家实验室网络的一部分)的材料科学家合作，现在公布了一项技术，据称可以赋予一种聚合物的强度和韧性的混合物，其灵感来自珍珠质，珍珠质是一种光滑、异常坚韧但又柔韧的彩虹色材料，铺在牡蛎和其他贝壳上。

哥伦比亚大学化学工程教授、该研究的负责人Sanat Kumar解释说，这项技术的关键是控制聚合物的结晶速度，这种聚合物最初与不同大小的纳米晶体混合得很好发表在网上的一篇论文ACS中心科学．他说:“从本质上讲，我们已经创造了一种一步法来构建一种复合材料，这种材料比其主体材料强得多。”

珍珠的韧性和强度是由其结构决定的。这种物质95%是一种叫做文石的无机材料，5%是一种叫做几丁质的柔性生物聚合物。文石的分布形式类似于墙中的砖块，由10纳米厚的结晶几丁质层连接在一起，就像砂浆一样，从微米级到更大的尺度都有。这种结构，以及其中无机颗粒的大小等级，是这种物质韧性的关键，这种韧性比单独的几丁质要大几个数量级。

Kumar的博士生和论文的第一作者Dan Zhao说:“虽然在聚合物宿主中实现纳米粒子的自发组装成层次结构一直是纳米科学的‘圣杯’，但到目前为止还没有确定的方法来实现这一目标。”“我们利用聚合物结晶动力学，通过控制纳米颗粒的多尺度组装来解决这一挑战。”

这种控制的关键是温度。Kumar和Zhao的团队将层状(鳞状)二氧化硅纳米颗粒与聚乙烯氧化物(一种低固有强度的聚合物)混合。通过改变过冷程度——在聚合物熔点以下进行结晶的程度——他们发现，他们还可以控制纳米粒子如何自组装成三种不同的尺度:纳米级、微观级和宏观级。在结晶开始之前，每个纳米晶体都均匀地覆盖着熔融聚合物。在结晶过程中，它们组装成10-100nm大小的薄片，并在1-10 μ m尺度上形成聚集体。

库马尔说:“这种受控的自组装很重要，因为它在保持材料坚韧的同时提高了材料的刚度。”“这些材料保持了纯半晶聚合物的低密度，因此我们可以保持结构部件的低重量，这对汽车和飞机等应用至关重要，因为重量是一个关键考虑因素。”通过我们的通用方法，我们可以改变颗粒或聚合物，以实现某些特定的材料行为或设备性能。”

库马尔对此寄予厚望。“我们的技术可以改善与商业相关的塑料材料的机械和潜在的其他物理性能，应用于汽车，保护涂层和食品/饮料包装，我们每天都在使用的东西。而且，展望未来，我们也可能能够生产出有趣的纳米复合材料的电子或光学特性，有可能制造出可用于建筑物等结构应用的新材料和功能设备，但具有就地监测其健康状况的能力。”

在研究的下一阶段，库马尔和他的团队计划研究影响粒子如何在混合物中移动到不同区域的因素，并希望加快粒子的排序，目前需要几天的时间。他们还希望研究其他颗粒聚合物系统，包括使用可生物降解的聚乳酸，以及可用于基础设施和汽车部件(如保险杠)的二氧化硅和聚乙烯混合物。