陶瓷够硬、耐高温、耐腐蚀，却有一个绕不开的弱点——脆。一旦裂纹出现，材料往往会迅速断裂。如今，南洋理工大学（NTU）研究团队从鲍鱼壳内层的珍珠母中找到灵感，希望让陶瓷在保持坚硬和耐高温的同时，也能更好地抵抗裂纹扩展。
陶瓷够硬，却一直怕裂
陶瓷之所以被广泛应用于工程和医疗领域，很大程度上得益于它的高强度、高硬度以及良好的耐热、耐化学腐蚀性能。但这些优势往往也伴随着一个难题：一旦裂纹形成，陶瓷很容易突然失效。
鲍鱼壳内层的珍珠层启发了一种设计更坚固陶瓷的新方法。
图片：Dagmara Dombrovska / Pexels
NTU机械与航空航天工程学院法然德副教授（Hortense Le Ferrand）的团队长期研究仿生材料。这一次，他们把目光投向了鲍鱼壳内侧的珍珠母。珍珠母几乎由矿物构成，却比许多人造陶瓷更能抵抗裂纹，这背后的关键就在于它独特的微观结构。
在显微结构下，珍珠母就像一堵精密的“砖墙”：一层层矿物微片如同“砖块”，不同层之间的界面则能够让裂纹减速、转向，而不是一路笔直地穿透材料。过去，科研人员常通过加入柔软界面来模仿这一结构，但这些柔软材料难以承受高温，在潮湿等复杂环境中的稳定性也会受到限制。
不靠柔性材料，用矿物“桥”拦住裂纹
这一次，NTU团队提出了一个不同的思路：如果不用柔性聚合物，也能让裂纹“绕路”，是不是就能同时兼顾韧性和耐高温性能？
该研究的第一作者和首席研究员是Rohit Pratyush Behera博士。他目前是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的博士后研究员，继续从事仿生增韧陶瓷设计方面的研究。 这项研究的第一作者 Rohit Pratyush Behera 博士在法然德副教授团队攻读博士期间开始相关研究，并在NTU从事博士后研究时继续推进。他提出在氧化铝微片之间引入氧化锆，并与法然德副教授共同发展出一种完全由陶瓷材料构成的结构。
团队重点研究了类似天然珍珠母中“纳米桥”的矿物连接结构。实验发现，这些矿物桥既不能太少，也不能太多：连接过少，陶瓷微片容易分离；连接过多，界面又会过于牢固，裂纹反而可能直接穿过陶瓷。只有控制好矿物桥的宽度和覆盖范围，才能让裂纹在材料内部改变方向，并在传播过程中逐步消耗更多能量。
在制造过程中，团队采用的是磁辅助注浆成型。研究人员先让陶瓷微片对磁场产生响应，再利用旋转磁场控制它们在液体中的排列方向，待结构成型后进行高温烧制，从而获得具有精确内部排列的仿生陶瓷。
韧性提升，还能扛住高温
实验结果显示，优化后的材料断裂韧性达到 13.9 MPa·m⁰·⁵，约为天然珍珠母的两倍，也超过目前牙科植入物所使用氧化锆材料的两倍。
在高温测试中，这种材料在 500°C条件下仍保持机械稳定，即使加热至 1300°C，形状变化也较为有限。同时，它还表现出较强的振动能量耗散能力。研究人员认为，这主要来自氧化锆矿物桥和氧化铝微片之间产生的微小摩擦运动，而不是依靠额外加入的柔性材料。
为了验证这一设计能否用于更复杂的结构，团队还利用人类臼齿模具制作了一个牙齿形陶瓷结构。研究人员模仿牙釉质与牙本质不同的力学特性，通过调整同一种陶瓷在不同区域的内部排列，制造出机械性能逐渐变化的结构。
初步细胞实验中，与骨形成有关的细胞能够在这种陶瓷表面附着，并在七天内增殖。不过，研究团队也强调，这只是早期结果，距离真正用于人体医疗仍需要进一步的生物学和临床测试。
这项研究已发表在 Advanced Functional Materials。更重要的是，团队提出的并不只是某一种新陶瓷，而是一套可以帮助研究人员调控脆性材料裂纹传播方式的设计框架。未来，类似思路还可能被应用到其他层状或片状脆性材料中。
📌 要点总结
✦ NTU团队从鲍鱼壳珍珠母获得灵感通过模仿其层状结构和矿物连接方式，希望解决传统陶瓷“硬但易脆裂”的问题。
✦ 不依赖柔性聚合物，靠矿物纳米桥控制裂纹团队利用氧化锆矿物桥连接氧化铝微片，并通过控制其宽度和覆盖范围，让裂纹减速、转向，从而提高材料韧性。
✦ 材料兼顾强韧与高温稳定性优化后的陶瓷断裂韧性达到13.9 MPa·m⁰·⁵，并在高温测试及初步细胞实验中展现出良好表现，团队还成功制成牙齿形结构进行概念验证。
从不起眼的贝壳，到可以“设计裂纹走向”的新型陶瓷，大自然的结构智慧又一次给材料科学提供了新答案。你觉得这种仿生材料未来最值得期待的应用会是什么？
