陶瓷夠硬、耐高溫、耐腐蝕，卻有一個繞不開的弱點——脆。一旦裂紋出現，材料往往會迅速斷裂。如今，南洋理工大學（NTU）研究團隊從鮑魚殼內層的珍珠母中找到靈感，希望讓陶瓷在保持堅硬和耐高溫的同時，也能更好地抵抗裂紋擴展。
陶瓷夠硬，卻一直怕裂
陶瓷之所以被廣泛應用於工程和醫療領域，很大程度上得益於它的高強度、高硬度以及良好的耐熱、耐化學腐蝕性能。但這些優勢往往也伴隨著一個難題：一旦裂紋形成，陶瓷很容易突然失效。
鮑魚殼內層的珍珠層啟發了一種設計更堅固陶瓷的新方法。
圖片：Dagmara Dombrovska / Pexels
NTU機械與航空航天工程學院法然德副教授（Hortense Le Ferrand）的團隊長期研究仿生材料。這一次，他們把目光投向了鮑魚殼內側的珍珠母。珍珠母幾乎由礦物構成，卻比許多人造陶瓷更能抵抗裂紋，這背後的關鍵就在於它獨特的微觀結構。
在顯微結構下，珍珠母就像一堵精密的「磚牆」：一層層礦物微片如同「磚塊」，不同層之間的介面則能夠讓裂紋減速、轉向，而不是一路筆直地穿透材料。過去，科研人員常通過加入柔軟介面來模仿這一結構，但這些柔軟材料難以承受高溫，在潮濕等複雜環境中的穩定性也會受到限制。
不靠柔性材料，用礦物「橋」攔住裂紋
這一次，NTU團隊提出了一個不同的思路：如果不用柔性聚合物，也能讓裂紋「繞路」，是不是就能同時兼顧韌性和耐高溫性能？
該研究的第一作者和首席研究員是Rohit Pratyush Behera博士。他目前是德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的博士後研究員，繼續從事仿生增韌陶瓷設計方面的研究。 這項研究的第一作者 Rohit Pratyush Behera 博士在法然德副教授團隊攻讀博士期間開始相關研究，並在NTU從事博士後研究時繼續推進。他提出在氧化鋁微片之間引入氧化鋯，並與法然德副教授共同發展出一種完全由陶瓷材料構成的結構。
團隊重點研究了類似天然珍珠母中「納米橋」的礦物連接結構。實驗發現，這些礦物橋既不能太少，也不能太多：連接過少，陶瓷微片容易分離；連接過多，介面又會過於牢固，裂紋反而可能直接穿過陶瓷。只有控制好礦物橋的寬度和覆蓋範圍，才能讓裂紋在材料內部改變方向，並在傳播過程中逐步消耗更多能量。
在製造過程中，團隊採用的是磁輔助注漿成型。研究人員先讓陶瓷微片對磁場產生響應，再利用旋轉磁場控制它們在液體中的排列方向，待結構成型後進行高溫燒制，從而獲得具有精確內部排列的仿生陶瓷。
韌性提升，還能扛住高溫
實驗結果顯示，優化後的材料斷裂韌性達到 13.9 MPa·m⁰·⁵，約為天然珍珠母的兩倍，也超過目前牙科植入物所使用氧化鋯材料的兩倍。
在高溫測試中，這種材料在 500°C條件下仍保持機械穩定，即使加熱至 1300°C，形狀變化也較為有限。同時，它還表現出較強的振動能量耗散能力。研究人員認為，這主要來自氧化鋯礦物橋和氧化鋁微片之間產生的微小摩擦運動，而不是依靠額外加入的柔性材料。
為了驗證這一設計能否用於更複雜的結構，團隊還利用人類臼齒模具製作了一個牙齒形陶瓷結構。研究人員模仿牙釉質與牙本質不同的力學特性，通過調整同一種陶瓷在不同區域的內部排列，製造出機械性能逐漸變化的結構。
初步細胞實驗中，與骨形成有關的細胞能夠在這種陶瓷表面附著，並在七天內增殖。不過，研究團隊也強調，這只是早期結果，距離真正用於人體醫療仍需要進一步的生物學和臨床測試。
這項研究已發表在 Advanced Functional Materials。更重要的是，團隊提出的並不只是某一種新陶瓷，而是一套可以幫助研究人員調控脆性材料裂紋傳播方式的設計框架。未來，類似思路還可能被應用到其他層狀或片狀脆性材料中。
📌 要點總結
✦ NTU團隊從鮑魚殼珍珠母獲得靈感通過模仿其層狀結構和礦物連接方式，希望解決傳統陶瓷「硬但易脆裂」的問題。
✦ 不依賴柔性聚合物，靠礦物納米橋控制裂紋團隊利用氧化鋯礦物橋連接氧化鋁微片，並通過控制其寬度和覆蓋範圍，讓裂紋減速、轉向，從而提高材料韌性。
✦ 材料兼顧強韌與高溫穩定性優化後的陶瓷斷裂韌性達到13.9 MPa·m⁰·⁵，並在高溫測試及初步細胞實驗中展現出良好表現，團隊還成功製成牙齒形結構進行概念驗證。
從不起眼的貝殼，到可以「設計裂紋走向」的新型陶瓷，大自然的結構智慧又一次給材料科學提供了新答案。你覺得這種仿生材料未來最值得期待的應用會是什麼？
