科学前沿 | 海胆和混凝土

水化硅酸钙（C-S-H）是硅酸盐水泥水化后的主要产物，使水泥基材料具有一定的抗压强度，使其成为了当今世界使用最多的人造建筑材料。但因为混凝土的抗弯曲强度较低，一旦弯曲就会脆弱或断裂。因此，需要通过外加钢筋来改善混凝土的柔韧性，但是这些钢筋往往比较昂贵而且容易腐蚀。

▲  C-S-H 是水泥水化反应后的主要产物

此前，科学家们通过将软物质掺杂到 C-S-H 中使材料更有弹性，但由于最终形成的纳米结构不规则，弯曲程度有限。近日，德国的科学家们根据他们对海胆棘刺的研究（PNAS 2012, 109(10), 3699-3704），把 C-S-H 变成一种高度有序的纳米结构。“大自然用非常复杂的建筑原理来设计创造生物，往往具有优异的性能。”

▲  海胆的棘刺

海胆身上的棘刺实际上是由坚硬却又很脆弱的方解石– 也是一种用来制造粉笔的材料— 组成的，很容易碎裂。但海胆的棘刺却非常坚硬，这是因为形成海胆棘刺的方解石是介晶形，也就是说它会像砖块一样规则排列，砖块之间又存在薄的无定形层，就像是柔韧的砂浆可以停止裂纹发生。

▲  对海胆棘刺内部纳米结构的探究， PNAS 2012, 109(10), 3699-3704

受到这一研究发现的启发，该研究小组在硅酸钠溶液中加入氯化钙和聚丙烯酸共聚物，制成了C-S-H 颗粒的胶体悬浮液。通常情况下，C-S-H颗粒会随机聚集在一起，但是聚合物的存在防止了这一点，确保均匀分散。他们还开发了两种方法来控制和触发C-S-H粒子自组装成介晶：一种是调节pH，另一种是改变胶体中聚合物和C-S-H的比例。

▲  介晶结构的偏振光学图和扫描电镜图，Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701216

对这种介晶的成像研究结果表明， C-S-H像砖块一样排列，聚合物则表现的像起粘接作用的砂浆。为了测试材料的弹性，研究人员在电子显微镜下用显微操作器向 3 微米大小的晶体施压，结果显示弯曲强度近 200 兆帕，这与钢的弯曲强度（250 兆帕）相差不大。

▲  C-S-H介晶的弯曲测试，Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701216

水泥自 2000多年前由古罗马人发明以来，很少发生变化。这种新型柔性水泥非常具有创新性，如果在今后能够实现商业化，就可以用来制造更加优质的建筑材料。尤其在地震多发的地区，这种建筑材料可能会非常有效，因为它所表现出的弹性变形意味着建筑不会倒塌。

内容编译自 Chemistry World 网站，点击“阅读原文”获取该篇报道的全文（英国皇家化学会会员可免费阅读）。