大自然创造的神奇材料

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科学家发现，某些天然的生物材料竟同时拥有金属
所无法比拟的强度及韧性。

这些材料的组成及结构短吻鳄的铠甲中都包含着的奥秘是什么？我们该如何借鉴和利用？改良金属的秘诀。

雜然▼创造獅奇树料
编译成琳岚
螳螂虾附肢的超能力
美丽的雀尾螳螂虾拥有斑斓的色彩、圆圆的 眼睛，细弱的双腿好似水中浮动的杂草。

这种虾 看起来一点儿攻击性也没有’但在它那看似普通 的甲壳下，却潜藏着一种非凡的武器——附肢。

—旦螳螂虾受惊，它那棒槌状的附肢便会以比一级方程式赛车更大的加速度向前推进，其产生的 巨大力量可以击碎水族馆的玻璃缸！
这可是螳螂虾的一种非凡的能力！尤其是，螳螂虾的这些具有致命力量的附肢，其组织成分 并没什么特别，和人类的骨骼或牙齿中的物质成
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分差不多。

在大自然中，这样的神奇动物还不止 螳螂虾一种。

许许多多的动植物都已能够仅仅利 用简单的自然原料（如矿物质、蛋白质和糖类等〉，在没有任何人类工业机械的帮助下，创造出足以 与人类谢调造的f i-餘产品相媳美的结构。

对于自然界如此神奇的能力，人类一直都很 想模仿。

经过科学家多年的潜心研究，这些大自然工程材料结构的奧秘才逐渐被人们所揭示。

直 到最近，我们才可以复制并利用这些结构中的组 分在纳米级上的排列方式。

随着人类的制造技术 及原材料的改进，科学家开始寻求超越自然—
—
借鉴从自然中获取的秘诀，去重新设计一种新型 材料~~
金属材？4的缺陷
金属，其显著特点是
其非同一般的强度与韧性。

不妨用粉笔和奶酪来比喻这
两个特性。

粉笔比奶酪坚硬，
能够抵抗载荷而不会弯曲，但粉
笔初性差，易碎且容易折断；奶酪较
粉笔硬度差很远，但非常柔軔，在断裂前先变形。

金属材料虽然弓鍍与韧■有，但金属有顿点：任何试图提高金属自然强度的尝试，都会降低金 属_性。

数千年来，人类一直没有停止使用金属这种 材料，但科学家们也一直想要改变金属的弱点。

如果钢材在不降低其韧性的情况下有了更高的强 度，其使用效率便会提高。

这意味着不管是飞机、无人机还是汽车，都可以减轻重量。

这不仅可以 节省成本，还可节省燃料，并能减少会导致地球 变暖的二氧化碳排放量。

新的改良金属还可以用
任何试图提高金属自然强度的尝
试，都会降低金属的韧性。

于减轻置换的髋关节、仿生
手、机器人和管道等结构的重
量，也能增强钢筋混凝土的强度 和臟器外涂层的强度（以避免航天器 因魏击而賺)。

在过去的20年里，随着对纳織材料尺雅制工艺的改善，科学家开始尝试通过使金属的颗 粒状晶体变小来提高金属强度。

不过，这些纳米 晶金属虽然非常坚硬，但脆性也大，因此很难应 用到曰常结构中。

比如，如果用高强度的材料来 建造大桥，就无须采用厚重的主梁，但整座桥却 有折断的可能。

那么，既然完全依靠提高金属强 度达不到想要的目的，人们该怎么办呢？当科学 家再次把目光投向大自然时，他们发现，自然界 早已成功漏了这一问题。

自然界生物材料结构的奥秘
生物材料通常由硬性的生物矿物质（如碳酸 括或二氧化桂)和软性生物聚合物(如蛋白质或糖) 的混合物组成。

硬的部分提供强度，软的部分则 提供韧性。

当软硬结合时，其表现比两者单独表 麵加要优剧辱多。

还是以螳螂虾为例。

在螳螂虾那与人类骨骼相似的薄而强硬的磷酸钙表层下，是一些渐次嵌 入的柔软且呈纤维状的糖分子层。

这样软硬结合 的方式，比起单独使用任何一种材料都具备更好 的强度及初性。

不过，真正使得螳螂虾的附肢拥 有攻击能力的秘密是其表层下分子组合的结构性 改变。

离表层越远’磷酸钙的结晶就越少，排列
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竹茎的出色柔韧性便来自其纤维结构的分布梯度，竹茎 人类牙齿的两种不同的组织一牙本质与牙
表层会聚集更多的纤维素以确保竹茎不易折断。

釉质之间也会形成梯度。

的糖分子层也变得更薄，并且每个糖分子层还会 依次进行一定角度的旋转，这就如减震器般分散 撞击力，并防止受撞击时产生的微小裂痕进一步 扩散。

这样的梯度结构正是自然界生物材料的秘密 所在，梯度结构几乎遍布所有的生物结构。

甚至 要想在自然界中找到不具备梯度结构的生物可能 雖。

梯度结构的表现形式是多种多样的。

例如， 竹茎的出色柔韧性便来自其纤维结构的分布梯度， 竹茎表层会聚集更多的纤维素以确保竹茎不易折 断。

同样，短吻鳄的保护性骨板在结构上也具有 梯度。

骨板由四种不同类型的骨諮组成，其中每 种骨骼的胶原纤维的排列方式亦各有不同，从而 形成了坚硬的上表面、多孔的内核以及较柔软的
基底层。

另外，同样由胶原蛋白构成的鱼鱗，也 具有梯度结构。

当这些胶原蛋白位于表层时，其 矿化程度很高，从而具备足够的硬度来抵御掠食 者的牙齿；而在表层之下，矿化程度则较低，以 保证组织的柔韧性。

甚至在我们人类牙齿的两种 不同的组织——
牙本质与牙釉质之间也会形成梯
度，以确保形成平滑过渡的交界面，不会因为结 构上突然的变化导致应力集中而最终使得牙齿
断裂。

对于上述这些现象，科学家认为，大自然之 所以会巧用这些“妙招”，是因为大自然要处理的 材料的原繼是臟蛋白、几丁质和矿物质之类, 这些原料在我们人类看来并不是理想的结构材 料，但大自然却有能力将它们最终制作成精妙的 结构。

探索与难题
为了借鉴大自然的这种能力，人类已经花费 了不少的时间来探索。

还好，现在我们已经慢慢 幵始自然的这一秘诀了。

早在2011年，我国沈阳材料科学国家实验室 的卢柯院士及其团队便成功地在铜中制备出一种 梯度结构。

这种结构在表面具有纳米级的微小晶 粒，向内直至过渡到基本晶粒大小。

卢柯院士通
过反复打磨金属表面来做到了这一点。

这样的梯 度结构可以使金属在傾寺内部结构不变的情况下’ 将外层细分为更小的颗粒，从而增加其强度。

被 卢柯比喻为“牙齿表面的牙釉质”的这个外层所 提供的梯度，让铜的强度提髙了两倍，但不会降 低铜的韧性。

这一发现极为重要，它表明：在同 时提高金属的强度与钿性互斥的问题上，人类已
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经取得了魏
受到贻贝足丝的启发，美国科学家在拓展梯 度纳米颗粒概念方面又更进了一步。

足丝是贻贝 用于紧贴岩石表面的线状组织，坚韧而结实。

其 结构中的梯度非常大，面对岩石一端的足丝+分 坚硬，而连接贻贝一端的则更具有弹性，其刚性 更是降低到了岩石一端的1/10。

为了形成这样显 著的梯度差异，构成足丝的胶原蛋白形式会随着 题的麵耐断触变化。

不过，想要复制贻贝足丝的结构，科学家面 临着一个难题：需要比铜更为复杂的材料。

这是 因为，包裹足丝纤维的还有一个含有硬颗粒的坚 硬外层，而这种结构不可能在纯金属中复制。

于 是，科学家将目光转向了钢铁—
—由铁、碳以及 其他元素组成的合金。

与卢柯院士一样’这些美 国科学家也采用打磨金属表面的办法来获■度，但他们的方法是采用了数百个小钢球砸向金属表 面。

这样不仅可以产生晶粒尺度梯度，而且让金 属中原本一些空隙部分的结构转变为被称为“马 離”的硬相。

最终，辱了臟的结果一
晶粒内部产生了硬质的马氏体与软质的奥氏体相 交替的条纹。

他们终于获得了这种既具备晶粒尺 寸上的梯度结构，又具备软硬两相相结合的金属 材料。

足丝是贻贝用于紧贴岩石表面的线状组织,
坚韧而结实。

面对岩石一端的足丝十分坚硬,
而连接贻贝一端的则更具有弹性。

以这样的结构制备的钢铁不仅拥有比其他钢 铁更高的强度，而且不会变脆。

科学家对此解释 道：硬相和软相结合会帮助材料提高强度和初性，而梯度则会使其外表更坚固，内里更具雛。

不过，这一颇腿自然结构来说’纖显得+分初级。

这样的成就还只是人类对于梯度材料探索的 开始。

对于科学家来说，制备完美金属的关键还 在于深A S J材料制造的过程中去。

2016年，有科 学家将微小的银立方体以超音速射向刚性的硅表 面，这一高速冲击的力度之大，直接导致银立方 体的结构发生变形，从而得到他们想要的梯度纳 米晶结构。

科学家认为，冲击波可以在整个材料 中传播开去，从而形成一个渐进的梯度变化，而 这也是黏法的一大賴。

如何将目前实验室所取得的这些成功扩大到 可应用的范围，仍然是科学家们需要攻克的麵。

模仿大自然的问题在于，自然结构是自下而上地 完成的，是从原子或分子幵始构建的，而人类却 要走另一条道路，将大块的金属进行解构。

许多 人3D打印等新技术的兴起或许能解_滩题。

这些技术可以逐层构筑材料，使得小规模的 建造成为可能。

但3D打印依然有其局限性’该技 术的确能造出正确的形状，但要制造出想要的金 属属性却是非常困难的，更别提制造更大规模的 产品了。

要解决这些问题起码还需要10年左右的 时间。

不过，曙光M在眼前。

乐观的看法是，仅需5年，我们就可以在建筑中见到梯度纳米晶粒钢的身影，而其他超级金属或许会更早地被用到一级方程式 鮮物医学中。

当人们为自己不尽的探索及进步鼓掌之时,再看看大自然那些令人望尘莫及的能力吧。

还是 之前提到的螳螂虾，它们每三到四个月便会蜕一 次壳并长出新壳，从而消除掉成千上万次撞击所 造成的损害。

这种强大的更新能力可能是科学家 ffl®要攀登的下一个高峰。

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