从贝壳中得到的启示_刘洪宇

辽宁日报/2007年/5月/5日/第004版

访谈

从贝壳中得到的启示

——访中国科学院力学研究所研究员宋凡

本报记者刘洪宇

背景：我们羡慕鸟儿，更要用我们的智慧向鸟儿学习“飞”；我们羡慕鱼儿，更要研究它的“游”……从大自然的杰作中得到启示、寻找真理，自古有之，也正是人类的聪明之处。自然界生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰。例如尽管贝壳的基本组成单元很平常，只是碳酸钙和磷酸钙等最常见的材料，但因为有了适应其环境及功能需要的结构组装，所表现出的材料性能是传统人工合成材料无法比拟的。科技发展到今天，我们就是要深入探讨这种微结构，这种探讨就是仿生学。

大自然是向每一个国家、每一位科研人员敞开的。仿生学作为一门正在迅速发展起来的新兴交叉学科，其在工业设计、提高计算能力和开发新型医疗仪器设备等方面有着广阔的应用前景。我国当前优先发展的高新技术产业化重点领域共有141个方面，其中有30个领域与仿生学有关。例如光传输系统、生物医学材料及人造器官等，可以说仿生学研究和仿生科技的发展将直接影响我国的科技水平和产业发展。面对这样一个自然宝库，加强仿生学研究成为一种必然选择。

小贝壳也有大功能，贝壳的坚韧性是人工合成碳酸钙材料的上千倍

记者：贝类常见，贝壳在海边更是随处可见，由于形态各异而受到我们的喜爱，而在科学界把贝壳作为一种研究对象，到底贝壳哪些地方值得我们关注？

宋凡：不要小瞧了贝壳，小贝壳也有大功能。正是这些贝壳给现代科学研究带来了许多深刻启示！贝壳的形貌包含着许多的几何曲线，如我们熟悉的各种螺旋线等，这些曲线极大地丰富了数学家的研究视野。同时，其形貌也给建筑学家的设计思想以极大的启迪，成为现代建筑设计模仿的重要目标，于是有了大跨度薄壳式建筑，如著名的悉尼歌剧院。这种建筑，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。这些仅仅是人类领略贝壳神奇的开始，当注意到贝壳内部的微结构以及由此所产生的材料性能时，科学家们更是惊叹不已。

记者：到底发现了什么神奇之处？

宋凡：我们常会有这样的经验，折断一根粉笔比折断一块贝壳容易得多。从化学成分上来说，粉笔和贝壳都是由碳酸钙晶粒构成的。但在力学性能上，两者不可同日而语。同样由碳酸钙构成，差距为什么这么大呢？首先要从两者的形成上认识：粉笔属于人工合成材料，贝壳却是由某些软体动物通过吸收水中的钙粒子进行生物矿化后，生长出来的天然合成材料。就是说，制作过程不同：贝壳的制作过程有生命系统的参与。有人要问，“天然合成”就能合成出好东西吗？是的，借助现代科学手段，科学家发现了两者微结构的巨大差别：贝壳中碳酸钙晶粒有着特殊的有序排列，而粉笔中的碳酸钙晶粒排列是一种无序结构。

记者：这种内部的“有序排列”是贝壳坚韧的根本原因吗？请您给我们详细介绍一下。

宋凡：贝壳作为软体动物的防护装备，主要功用是抗压，防止壳体受损，以致伤及身体。到目前为止，在科学家们已经研究过的上百种贝壳中，共发现了7种贝壳微结构，即柱状珍珠母结构、片状珍珠母结构、簇叶结构、棱柱结构、交叉叠片结构、杂交叉叠片结构和均匀分布结构。在上世纪的70年代，英国雷丁大学的J・D・Currey教授和他的合作者们对这7种微结构的力学性能进行了较为系统的实验研究，结果发现，珍珠母作为一般贝壳中最内层材料，它的力学性能是这7种结构中最好的，尤其在材料的强韧性上表现最为突出。例如，珍珠母所具有断裂功大约

是作为它基本成分的碳酸钙晶体的断裂功的3000倍。这一卓越的力学性能，使得珍珠母结构成为现代高性能人工合成材料微结构设计的仿生目标，也使得研究珍珠母的微结构和性能成为当今世界材料仿生设计研究中的一个热点问题，而被誉为“生物矿化研究领域的皇冠上的明珠”。

事实上，我们对珍珠母并不陌生，我们平常见到的那些美丽可爱的珍珠，其构成材料就是珍珠母，或者说，珍珠母就是产生珍珠的母体和材料。珍珠母是一种由有机基质，包括多糖和蛋白质为基体、文石晶片形成增强相的两相间的层状复合材料，其微结构是由一些小平板状结构的文石晶片单元平行累积而成。这些小平板板面平行于贝壳壳面，就像建筑物墙壁的砖块一样相互堆砌镶嵌、层层排列，形成整个珍珠层。这就是在生物材料学和生物界公认的珍珠母著名的“砖———泥”结构，它也是令许多科学家赞叹不已的结构。

贝壳内部“矿物桥”微结构是其坚韧的根源，也成为现代高性能人工合成材料微结构设计的仿生目标

记者：看来，弄清楚贝壳的微结构成了仿生取得进展的基础，您和您的科研小组对贝壳的微结构有着独特的研究和发现，这种发现是什么？

宋凡：贝壳中的碳酸钙占总重量的99%，还有1%的蛋白质。1997年，美国加州大学的T・E・Schaffer等研究人员在珍珠母有机基质层中观察到有孔洞存在。基于这一事实，他们提出在珍珠母的有机基质层中，存在垂直于上下两层文石晶片的一种具有纳米尺度的文石晶体结构，这种结构在生物矿化领域被称为“矿物桥”，并由此推测珍珠母的层状“砖———泥”结构是通过“矿物桥”连续生长形成的，而不是传统生物学中认为的由钙离子外延沉积生长形成的。但是，他们一直未能获得直接的“矿物桥”证据。

2002年，我们在52万倍的透射电子显微镜下观察并记录到了这种“矿物桥”结构，为珍珠母结构是通过“矿物桥”连续生长形成的生物学理论提供了有力的支持。我们发现每根“矿物桥”基本呈圆柱形，其高度与有机基质层厚度相同。通过对“矿物桥”的进一步研究，我们发现了“矿物桥”在有机基质层中的几何特征和分布规律，并提出了珍珠母的微结构应描述为“砖－桥－泥”式结构，这一发现现已得到了国际上的广泛承认。可以说，有了“砖－桥－泥”式结构，贝壳及珍珠母最显著的力学性能———高韧性就有了基础，我们的“仿生”也就有了目标。

记者：我们进行“仿生”，首要的一点就是先弄清楚生物的特性和内部机理，我们认识了贝壳的内部构造，下一步是否就是要进行仿生———人工制造出坚韧性如贝壳的材料？

宋凡：是的，要进行“仿生”就要弄清贝壳的内部构造和性能，那还得继续说说这个“矿物桥”的作用。我们发现，由于贝壳经历了长期的进化，珍珠母中的文石晶片和有机基质在材料力学性能上形成了良好的配合关系。按传统的珍珠母“砖———泥”式结构仿生设计的合成层状陶瓷，根本无法与珍珠母的断裂韧性相比拟。研究发现，在合成的层状陶瓷与珍珠母的断裂过程中，虽然它们都会形成沿界面层传播的裂纹，但前者的裂纹长度按本身层厚比例大约是后者的4倍以上。按照断裂力学原理，长裂纹对材料的抗破坏能力的影响极大，严重降低材料的断裂韧性。我们认为，主要原因正是由于珍珠母中的界面层中存在“矿物桥”结构。此外，尽管“矿物桥”只是珍珠母中一种纳米结构，但是它在珍珠母界面中的特殊分布不仅可以增大裂纹阻力，阻止裂纹扩展，而且还能有效地提高珍珠母有机基质界面的弹性模量、材料强度和韧性，这可能是构成现有的仿珍珠母“砖一泥”式结构的人造材料的力学性能远低于天然珍珠母材料力学性能的主要原因之一。

珍珠母作为一种天然矿物陶瓷材料，最显著的力学性能是它的高韧性，这和当前人工合成陶瓷材料的韧性性能不强形成了鲜明的对比。提高合成陶瓷材料的韧性是目前材料学界亟待解决的关键问题，直接关系到陶瓷材料在工业上的使用规模和范围。而陶瓷材料的抗高温、耐腐蚀等材料特性却是普通金属材料不可替代的，但“脆性”也是显而易见的。因此，仿珍珠母结构的陶瓷材料微结构设计和制备自然成为一条最有希望的发展道路，目的就是提高陶瓷的坚韧性，大幅改善陶瓷的性质，而扩展现有工程陶瓷的应用领域。