日前，這個難題終于被浙江大學的科研人員破解。他們得到的材料不僅堅硬、富有韌性，而且可連續(xù)化制備。用它織成的衣服可以防輻射和靜電，由于新型纖維質量輕，還可做成更輕便的防彈衣。
這一研究成果近日發(fā)表在《自然》旗下的網(wǎng)絡開放期刊《科學報告》上。
貝殼中有“灰”與“磚”
“貝殼材料的特性，主要歸結于珍珠層特殊的‘磚灰結構’。”此項研究的帶頭人、浙江大學高分子系教授高超解釋說，像砌墻時要用到磚和水泥灰一樣，貝殼的珍珠層就像是一層磚壘一層水泥灰有序排列組合而成，這樣的結構特別堅固。同時，珍珠層又由一層無機物碳酸鈣夾一層有機物生物高分子組成，有機物的參與讓貝殼珍珠層有了韌性。
據(jù)高超介紹，以前做的仿貝殼材料，大多數(shù)功能很單一，要么夠硬但韌性不好，要么韌性好卻強度不高。“最關鍵的是，即使研制出既硬又韌的復合材料，也可能發(fā)生有機—無機材料之間的排斥分離現(xiàn)象，導致材料不穩(wěn)定。”
此次研究人員研制的仿貝殼結構復合材料卻不會出現(xiàn)這些問題。與自然界的貝殼相比，這種材料甚至還具有更好的柔韌性和超強的抗腐蝕能力，能在酸、堿、鹽等條件下維持原有的優(yōu)異性能。
液晶石墨烯打破仿生局限
在高超看來，前人之所以無法連續(xù)化制備出仿貝殼材料，原因在于他們大多將視角局限于對微結構和力學性能的模仿。“前人一般用氧化鋁、黏土納米片等無機物作為‘磚塊’。由于這些物質一般較厚，溶解性不好，只能采用過濾或層疊層組裝等辦法，做出厘米級的薄膜樣品。”
此次能突破這一局限，“殺手锏”在于對石墨烯的全新應用。
石墨烯是2004年才被發(fā)現(xiàn)的一種超薄二維納米材料，具有超強的力學性質和良好的導電、導熱特性。“我們在偶然中發(fā)現(xiàn)，如果經(jīng)歷某些改造，石墨烯的一些特性與貝殼中的組成單元很類似，甚至還要優(yōu)越。”該課題組博士生許震介紹說。
2011年，高超課題組成功地用納米級氧化石墨烯片紡制成長達數(shù)米的宏觀石墨烯纖維。“在這之前，人們很難想象如何將不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀纖維材料。”高超說，這一成果的關鍵在于他們發(fā)現(xiàn)并運用了氧化石墨烯的液晶性。
所謂“液晶性”，是指當氧化石墨烯在水等溶劑中的濃度超過某一臨界值時，就會自發(fā)排列成有序的結構。正是這種有序的內部結構，使研究人員得到的液晶分散液可很好地用于纖維紡制。
有機高分子化解連續(xù)制備難題
找到石墨烯作為人工貝殼技術的突破點后，研究人員又開始思考加工效率問題。由于“液晶性”是基于溶解性較好的氧化石墨烯，如何實現(xiàn)石墨烯的連續(xù)加工依然是個難題。
為解決這一問題，他們想到了有機高分子。
這一突發(fā)奇想，給課題組帶來了巨大的驚喜。博士生胡曉珍說：“這些‘改造后’的石墨烯就像一塊塊自帶黏合功能的‘磚塊’，更容易形成液晶。另外，有了有機物的參與，由液晶紡絲而來的纖維材料有了超高的強度和韌性，這樣就解決了20多年來材料科學界無法連續(xù)化制備仿貝殼材料的難題。”
目前，課題組已能制成比頭發(fā)絲還細的仿貝殼纖維。“我們這項技術的應用面很廣，例如可制成功能性的織物。大家穿上了用仿貝殼纖維材料做的衣服后，不僅能防靜電，還可以防輻射，同時又耐化學腐蝕。”許震說。
也許在未來，人們真的可以像蜘蛛俠那樣，噴出液體迅速凝結成強韌的新型纖維，飄蕩在城市大樓之間。
