水泥是世界上最廣泛使用的建筑材料，僅僅2021年消耗水泥量超過40億噸。然而水泥基材料存在脆性大、韌性低的固有缺陷，極大地影響了其性能和使用壽命，這主要是由于水化產(chǎn)物與孔隙結(jié)構(gòu)的無序堆積和隨機分布造成的。
水泥基材料可以通過在基體中加入增強材料（纖維、聚合物乳液等）來增韌，實現(xiàn)材料抗變形和抗斷裂能力的增強。然而，此類增韌方法的效果有限，且可能會產(chǎn)生負面影響，引起水泥基材料工作性和抗壓強度的降低。近幾年，冰模板法被廣泛應用于制造定向性的多孔材料，近期有文獻報道通過冰模板技術(shù)和水泥的自硬化特性開發(fā)了一種具有單向有序孔結(jié)構(gòu)的水泥基材料。然而，該材料僅在疏水性、導熱性等功能性方面具有優(yōu)勢，未能提升水泥的力學性能。
近期，東南大學材料科學與工程學院的科研團隊制備了一種仿貝殼珍珠母結(jié)構(gòu)的水泥-水凝膠復合材料，實現(xiàn)了材料韌性的大幅度提升。首先用冰模板法構(gòu)建了一個具有單向孔隙的分層水泥骨架，其中用原位水化法代替了冷凍干燥法，由于水化反應在解凍過程中自動發(fā)生，有序的微觀結(jié)構(gòu)可以不經(jīng)冷凍干燥處理而被保留。隨后，通過負壓浸漬將低粘度的PVA溶液填充到單向孔中，并實施兩次冷凍-解凍循環(huán)，原位生成了PVA水凝膠。基于水泥漿與PVA水凝膠相間排列的有序?qū)訝钗⒔Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了水泥基體的韌性增加175倍以上，這是已經(jīng)報道過的最具韌性的水泥基材料之一。此外，這種水泥-水凝膠復合材料還表現(xiàn)出低導熱性（約為普通水泥的1/10）和低密度、高比強度和自修復性能，可用于抗震高層、節(jié)能建筑以及大跨橋梁。該工作以題為“Multi-layered cement-hydrogel composite with high toughness, low thermal conductivity, and self-healing capability”的文章發(fā)表于Nature Communications上。
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