大自然永远是那么的神奇，人类发展的历史上模仿自然、学习自然的例子比比皆是。从飞机到雷达，师法自然或许是改造自然的最事半功倍的手段。而对于化学材料的开发，科学家们也少不了向自然学习。

比如司空见惯的贝壳，其珍珠层上的多级微纳结构为其造就了其优越的力学性能。科学家们对这种微观结构已经研究了至少半个多世纪，并进行了形式各异的模仿。最近，来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所的姜义军与牟新东的学术团队就受天然贝壳结构启发，利用氧化石墨烯、硼酸与羧甲基纤维素钠的复合材料，打造出一款“人造贝壳”，这种复合材料有着超越天然贝壳的力学性质，并且有着隔气和阻燃的功能。

(超越天然贝壳力学性质的“人造贝壳”复合材料)

1+1>2的复合

这种复合材料的主体是羧甲基纤维素钠，当在体系中引入硼酸盐与氧化石墨烯后，并溶液铸膜法进行复合膜的制备。并在制备的过程中热处理进行原位还原。值得注意的是，引入的硼酸盐（含量0.09%）与氧化石墨烯（含量0.7%）的量都比较少，但是其对复合材料强度的增加程度很大。经过优化制备工艺的复合材料其抗张强度可以达到天然珍珠层结构的3.55倍，该值也高于绝大多数已经报道的人造珍珠层结构。

（不同条件下制备出的层状结构，以及EDS谱图）

那么，为什么这三种物质混合后就会让材料获得如此优异的性质呢？研究者通过一系列的探究提出了如下机理：（1）氧化石墨烯经过原位还原后，消除了氧元素的存在对于与羧甲基纤维素钠排斥的不利因素，同时氧化石墨烯还原后会与羧甲基纤维素钠有着更强的范德华力；（2）研究中使用的是高分子量的羧甲基纤维素钠，氧化石墨烯在高分子量羧甲基纤维素钠中有着良好的分散。（3）硼酸盐贡献了很强的氢键作用。

（复合物分子层次作用力的机理）

水火不侵

比较有意思的是，原料中的羧甲基纤维素钠与氧化石墨烯都是在水中可以分散的，但是通过硼酸盐交联后，复合物竟然获得防水性能。

（瓶1未经硼酸盐交联的材料，在水中两个小时即瓦解，瓶2-4经过硼酸盐交联后被水浸泡一周后仍稳定。）

同时，氧化石墨烯的引入使得其获得了优异的气体阻隔性能，所以该复合膜可以开发为氧气阻隔膜，成为一种重要的防火材料。

(a：普通羧甲基纤维素钠材料很容易见火燃烧，b：复合膜见火后可以在几秒内自动熄灭。)

总体而言，这项研究对于基于绿色材料制备电子元件、包装、航空航天材料都有着重要的借鉴意义。

参考文献：

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