Sci.Adv.：海膽自修復脊椎下的靈感——仿生學法制備彈性混凝土

【引言】

水化硅酸鈣（C-S-H）是水泥水化產物的主要成分，作為混凝土建筑材料中的主要粘結劑，是目前世界上使用最多的人造材料。雖然C-S-H有著良好的抗壓能力，但其彈性和抗折強度差。傳統方法主要通過在混凝土中配置鋼筋，在宏觀上來抵消這種缺點。隨著技術的進步，目前我們可以通過合成C-S-H與有機物的納米復合材料，在C-S-H納米層之間或之中摻入軟物質，從而增強其彈性性能。然而，目前的研究中C-S-H納米晶團聚現象嚴重，導致其力學性能下降。

【成果簡介】

近日，康斯坦茨大學Helmut C?lfen（通訊作者）教授等人在海膽自我修復脊椎的啟發下，通過自組裝方法首次在溶液中合成三維有序的C-S-H介晶性的彈性混凝土。該研究以題為“Mesocrystalline calcium silicate hydrate: A bioinspired route toward elastic concrete materials” 發表于Science Advance。海膽的每個脊椎都是一塊大方解石晶體，所有原子都是從脊椎的一端到另一端排列的。海膽一旦脊椎斷裂，會立即生成一種包裹著碳酸鈣分子的黏膠狀物質，填充到脊椎受傷處硬化結晶，從而達到脊椎的修復。受這種生物的啟發，研究人員通過調節pH值以及C-S-H與有機聚合物（PVP-PAA）之間的比例，改善C-S-H團聚現象，C-S-H晶體與有機聚合物復合體形成一種無機-有機交錯排列的層狀結構的材料，類似于珍珠層的結構，這種材料結合了C-S-H晶體的硬度和有機聚合物的彈性的優點。

【圖文導讀】

圖1 C-S-H的TEM分析圖

(A) 摻雜有機聚合物，在pH= 12時，C-S-H晶體在膠體中穩定存在；

(B) 不摻雜有機聚合物的情況下，C-S-H晶體大量團聚；

（根據文獻調研，假定C-S-H納米板尺寸為60305 nm³）。

圖2 C-S-H介晶性復合材料的POM和SEM圖

（A-C） 采用方法一制備的C-S-H介晶性復合材料（方法一：在已制備的C-S-H凝膠pH=12的溶液中，用NaOH調節溶液pH值至12.8，得到晶體沉淀洗滌干燥）；

（D-F） 采用方法二制備的C-S-H介晶性復合材料（方法二：將PVP-PAA有機聚合物加入到Na₂SiO₃中，用NaOH調節溶液pH=13，攪拌混合物直至獲得澄清溶液，然后加入CaCl₂，得到晶體沉淀洗滌干燥）；

（A/D/E） POM圖表明這種復合材料在幾百微米尺度上存在長程有序性；

（B/C/F） SEM顯示了在層狀結構中分散的C-S-H晶體的排列結構，同時表明C-S-H超結構材料在微米尺度上沒有明顯的孔隙（會促進裂紋擴展）。

圖三 由方法一制備的C-S-H介晶性復合材料的TEM圖

(A) C-S-H晶體選取電子衍射圖，顯示了C-S-H晶體單晶散射行為，表明C-S-H納米晶片在三維空間上排列整齊；

(B) 在邊緣處單分散的C-S-H晶體，由于C-S-H和有機聚合物各自獨立，但卻可以發生單晶散射，因此制備的材料是介晶性的復合材料。

圖四 FIB檢測C-S-H介晶性復合材料構件的抗折性與彈性性能

(A-F) ?在SEM下構件彎曲試驗的動態過程，證實了這種材料制備的構件具有一定的彈性和抗折性能。

【小結】

本文通過仿生學法首次合成C-S-H介晶性復合材料，其彈性和抗折強度優于目前已知的C-S-H的材料，體現了C-S-H納米晶與有機聚合物復合的介晶性材料的優勢。該研究在納米尺度上極大增強了膠凝材料的彈性和抗折強度，為未來建筑材料的研究提供了新思路。

文獻鏈接：Mesocrystalline calcium silicate hydrate: A bioinspired route toward elastic concrete materials（Sci. Adv., 2017 , DOI: 10.1126/sciadv.1701216）

本文由材料人編輯部楊椰榕編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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