大自然永遠是那么的神奇，人類發(fā)展的歷史上模仿自然、學習自然的例子比比皆是。從飛機到雷達，師法自然或許是改造自然的最事半功倍的手段。而對于化學材料的開發(fā)，科學家們也少不了向自然學習。

比如司空見慣的貝殼，其珍珠層上的多級微納結(jié)構(gòu)為其造就了其優(yōu)越的力學性能。科學家們對這種微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了至少半個多世紀，并進行了形式各異的模仿。最近，來自中國科學院青島生物能源與過程研究所的姜義軍與牟新東的學術團隊就受天然貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用氧化石墨烯、硼酸與羧甲基纖維素鈉的復合材料，打造出一款“人造貝殼”，這種復合材料有著超越天然貝殼的力學性質(zhì)，并且有著隔氣和阻燃的功能。

(超越天然貝殼力學性質(zhì)的“人造貝殼”復合材料)

1+1>2的復合

這種復合材料的主體是羧甲基纖維素鈉，當在體系中引入硼酸鹽與氧化石墨烯后，并溶液鑄膜法進行復合膜的制備。并在制備的過程中熱處理進行原位還原。值得注意的是，引入的硼酸鹽（含量0.09%）與氧化石墨烯（含量0.7%）的量都比較少，但是其對復合材料強度的增加程度很大。經(jīng)過優(yōu)化制備工藝的復合材料其抗張強度可以達到天然珍珠層結(jié)構(gòu)的3.55倍，該值也高于絕大多數(shù)已經(jīng)報道的人造珍珠層結(jié)構(gòu)。

（不同條件下制備出的層狀結(jié)構(gòu)，以及EDS譜圖）

那么，為什么這三種物質(zhì)混合后就會讓材料獲得如此優(yōu)異的性質(zhì)呢？研究者通過一系列的探究提出了如下機理：（1）氧化石墨烯經(jīng)過原位還原后，消除了氧元素的存在對于與羧甲基纖維素鈉排斥的不利因素，同時氧化石墨烯還原后會與羧甲基纖維素鈉有著更強的范德華力；（2）研究中使用的是高分子量的羧甲基纖維素鈉，氧化石墨烯在高分子量羧甲基纖維素鈉中有著良好的分散。（3）硼酸鹽貢獻了很強的氫鍵作用。

（復合物分子層次作用力的機理）

水火不侵

比較有意思的是，原料中的羧甲基纖維素鈉與氧化石墨烯都是在水中可以分散的，但是通過硼酸鹽交聯(lián)后，復合物竟然獲得防水性能。

（瓶1未經(jīng)硼酸鹽交聯(lián)的材料，在水中兩個小時即瓦解，瓶2-4經(jīng)過硼酸鹽交聯(lián)后被水浸泡一周后仍穩(wěn)定。）

同時，氧化石墨烯的引入使得其獲得了優(yōu)異的氣體阻隔性能，所以該復合膜可以開發(fā)為氧氣阻隔膜，成為一種重要的防火材料。

(a：普通羧甲基纖維素鈉材料很容易見火燃燒，b：復合膜見火后可以在幾秒內(nèi)自動熄滅。)

總體而言，這項研究對于基于綠色材料制備電子元件、包裝、航空航天材料都有著重要的借鑒意義。

參考文獻：

Shahzadi, K.; Mohsin, I.; Wu, L.; Ge, X.; Jiang, Y.; Li, H.; Mu, X., Bio-Based Artificial Nacre with Excellent Mechanical and Barrier Properties Realized by a Facile In Situ Reduction and Cross-Linking Reaction. ACS Nano 2016. DOI: 10.1021/acsnano.6b05780