大自然創(chuàng)造的神奇材料

成琳嵐

螳螂蝦的螯，雄鹿的鹿角，短吻鱷的鎧甲中都包含著改良金屬的秘訣。

螳螂蝦附肢的超能力

美麗的雀尾螳螂蝦擁有斑斕的色彩、圓圓的眼睛，細(xì)弱的雙腿好似水中浮動(dòng)的雜草。這種蝦看起來(lái)一點(diǎn)兒攻擊性也沒(méi)有，但在它那看似普通的甲殼下，卻潛藏著一種非凡的武器——附肢。一旦螳螂蝦受驚，它那棒槌狀的附肢便會(huì)以比一級(jí)方程式賽車(chē)更大的加速度向前推進(jìn)，其產(chǎn)生的巨大力量可以擊碎水族館的玻璃缸！

這可是螳螂蝦的一種非凡的能力！尤其是，螳螂蝦的這些具有致命力量的附肢，其組織成分并沒(méi)什么特別，和人類(lèi)的骨骼或牙齒中的物質(zhì)成分差不多。在大自然中，這樣的神奇動(dòng)物還不止螳螂蝦一種。許許多多的動(dòng)植物都已能夠僅僅利用簡(jiǎn)單的自然原料（如礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)等），在沒(méi)有任何人類(lèi)工業(yè)機(jī)械的幫助下，創(chuàng)造出足以與人類(lèi)設(shè)計(jì)制造的任一復(fù)雜產(chǎn)品相媲美的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于自然界如此神奇的能力，人類(lèi)一直都很想模仿。經(jīng)過(guò)科學(xué)家多年的潛心研究，這些大自然工程材料結(jié)構(gòu)的奧秘才逐漸被人們所揭示。直到最近，我們才可以復(fù)制并利用這些結(jié)構(gòu)中的組分在納米級(jí)上的排列方式。隨著人類(lèi)的制造技術(shù)及原材料的改進(jìn)，科學(xué)家開(kāi)始尋求超越自然——借鑒從自然中獲取的秘訣，去重新設(shè)計(jì)一種新型材料——超級(jí)金屬。

金屬材料的缺陷

金屬，其顯著特點(diǎn)是其非同一般的強(qiáng)度與韌性。不妨用粉筆和奶酪來(lái)比喻這兩個(gè)特性。粉筆比奶酪堅(jiān)硬，能夠抵抗載荷而不會(huì)彎曲，但粉筆韌性差，易碎且容易折斷;奶酪較粉筆硬度差很遠(yuǎn)，但非常柔韌，在斷裂前先變形。金屬材料雖然強(qiáng)度與韌性兼有，但金屬有個(gè)弱點(diǎn)：任何試圖提高金屬自然強(qiáng)度的嘗試，都會(huì)降低金屬的韌性。

數(shù)千年來(lái)，人類(lèi)一直沒(méi)有停止使用金屬這種材料，但科學(xué)家們也一直想要改變金屬的弱點(diǎn)。如果鋼材在不降低其韌性的情況下有了更高的強(qiáng)度，其使用效率便會(huì)提高。這意味著不管是飛機(jī)、無(wú)人機(jī)還是汽車(chē)，都可以減輕重量。這不僅可以節(jié)省成本，還可節(jié)省燃料，并能減少會(huì)導(dǎo)致地球變暖的二氧化碳排放量。新的改良金屬還可以用于減輕置換的髖關(guān)節(jié)、仿生手、機(jī)器人和管道等結(jié)構(gòu)的重量，也能增強(qiáng)鋼筋混凝土的強(qiáng)度和航天器外涂層的強(qiáng)度（以避免航天器因受撞擊而損毀）。

在過(guò)去的20年里，隨著對(duì)納米級(jí)材料尺寸控制工藝的改善，科學(xué)家開(kāi)始嘗試通過(guò)使金屬的顆粒狀晶體變小來(lái)提高金屬?gòu)?qiáng)度。不過(guò)，這些納米晶金屬雖然非常堅(jiān)硬，但脆性也大，因此很難應(yīng)用到日常結(jié)構(gòu)中。比如，如果用高強(qiáng)度的材料來(lái)建造大橋，就無(wú)須采用厚重的主梁，但整座橋卻有折斷的可能。那么，既然完全依靠提高金屬?gòu)?qiáng)度達(dá)不到想要的目的，人們?cè)撛趺崔k呢？當(dāng)科學(xué)家再次把目光投向大自然時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，自然界早已成功規(guī)避了這一問(wèn)題。

自然界生物材料結(jié)構(gòu)的奧秘

生物材料通常由硬性的生物礦物質(zhì)（如碳酸鈣或二氧化硅）和軟性生物聚合物（如蛋白質(zhì)或糖）的混合物組成。硬的部分提供強(qiáng)度，軟的部分則提供韌性。當(dāng)軟硬結(jié)合時(shí)，其表現(xiàn)比兩者單獨(dú)表現(xiàn)相加要優(yōu)異得多。

還是以螳螂蝦為例。在螳螂蝦那與人類(lèi)骨骼相似的薄而強(qiáng)硬的磷酸鈣表層下，是一些漸次嵌入的柔軟且呈纖維狀的糖分子層。這樣軟硬結(jié)合的方式，比起單獨(dú)使用任何一種材料都具備更好的強(qiáng)度及韌性。不過(guò)，真正使得螳螂蝦的附肢擁有攻擊能力的秘密是其表層下分子組合的結(jié)構(gòu)性改變。離表層越遠(yuǎn)，磷酸鈣的結(jié)晶就越少，排列的糖分子層也變得更薄，并且每個(gè)糖分子層還會(huì)依次進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，這就如減震器般分散撞擊力，并防止受撞擊時(shí)產(chǎn)生的微小裂痕進(jìn)一步擴(kuò)散。

竹莖的出色柔韌性便來(lái)自其纖維結(jié)構(gòu)的分布梯度，竹莖表層會(huì)聚集更多的纖維素以確保竹莖不易折斷。

人類(lèi)牙齒的兩種不同的組織——牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)之間也會(huì)形成梯度。

這樣的梯度結(jié)構(gòu)正是自然界生物材料的秘密所在，梯度結(jié)構(gòu)幾乎遍布所有的生物結(jié)構(gòu)。甚至要想在自然界中找到不具備梯度結(jié)構(gòu)的生物可能更難。

梯度結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式是多種多樣的。例如，竹莖的出色柔韌性便來(lái)自其纖維結(jié)構(gòu)的分布梯度，竹莖表層會(huì)聚集更多的纖維素以確保竹莖不易折斷。同樣，短吻鱷的保護(hù)性骨板在結(jié)構(gòu)上也具有梯度。骨板由四種不同類(lèi)型的骨骼組成，其中每種骨骼的膠原纖維的排列方式亦各有不同，從而形成了堅(jiān)硬的上表面、多孔的內(nèi)核以及較柔軟的基底層。另外，同樣由膠原蛋白構(gòu)成的魚(yú)鱗，也具有梯度結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些膠原蛋白位于表層時(shí)，其礦化程度很高，從而具備足夠的硬度來(lái)抵御掠食者的牙齒;而在表層之下，礦化程度則較低，以保證組織的柔韌性。甚至在我們?nèi)祟?lèi)牙齒的兩種不同的組織——牙本質(zhì)與牙釉質(zhì)之間也會(huì)形成梯度，以確保形成平滑過(guò)渡的交界面，不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上突然的變化導(dǎo)致應(yīng)力集中而最終使得牙齒斷裂。

對(duì)于上述這些現(xiàn)象，科學(xué)家認(rèn)為，大自然之所以會(huì)巧用這些“妙招”，是因?yàn)榇笞匀灰幚淼牟牧系脑隙际悄z原蛋白、幾丁質(zhì)和礦物質(zhì)之類(lèi)，這些原料在我們?nèi)祟?lèi)看來(lái)并不是理想的結(jié)構(gòu)材料，但大自然卻有能力將它們最終制作成精妙的結(jié)構(gòu)。

探索與難題

為了借鑒大自然的這種能力，人類(lèi)已經(jīng)花費(fèi)了不少的時(shí)間來(lái)探索。還好，現(xiàn)在我們已經(jīng)慢慢開(kāi)始掌握大自然的這一秘訣了。

早在2011年，我國(guó)沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的盧柯院士及其團(tuán)隊(duì)便成功地在銅中制備出一種梯度結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在表面具有納米級(jí)的微小晶粒，向內(nèi)直至過(guò)渡到基本晶粒大小。盧柯院士通過(guò)反復(fù)打磨金屬表面來(lái)做到了這一點(diǎn)。這樣的梯度結(jié)構(gòu)可以使金屬在保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的情況下，將外層細(xì)分為更小的顆粒，從而增加其強(qiáng)度。被盧柯比喻為“牙齒表面的牙釉質(zhì)”的這個(gè)外層所提供的梯度，讓銅的強(qiáng)度提高了兩倍，但不會(huì)降低銅的韌性。這一發(fā)現(xiàn)極為重要，它表明：在同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度與韌性互斥的問(wèn)題上，人類(lèi)已經(jīng)取得了突破。

受到貽貝足絲的啟發(fā)，美國(guó)科學(xué)家在拓展梯度納米顆粒概念方面又更進(jìn)了一步。足絲是貽貝用于緊貼巖石表面的線(xiàn)狀組織，堅(jiān)韌而結(jié)實(shí)。其結(jié)構(gòu)中的梯度非常大，面對(duì)巖石一端的足絲十分堅(jiān)硬，而連接貽貝一端的則更具有彈性，其剛性更是降低到了巖石一端的1/10。為了形成這樣顯著的梯度差異，構(gòu)成足絲的膠原蛋白形式會(huì)隨著足絲的延展而不斷發(fā)生變化。

不過(guò)，想要復(fù)制貽貝足絲的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家面臨著一個(gè)難題：需要比銅更為復(fù)雜的材料。這是因?yàn)椋憬z纖維的還有一個(gè)含有硬顆粒的堅(jiān)硬外層，而這種結(jié)構(gòu)不可能在純金屬中復(fù)制。于是，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了鋼鐵——由鐵、碳以及其他元素組成的合金。與盧柯院士一樣，這些美國(guó)科學(xué)家也采用打磨金屬表面的辦法來(lái)獲得梯度，但他們的方法是采用了數(shù)百個(gè)小鋼球砸向金屬表面。這樣不僅可以產(chǎn)生晶粒尺度梯度，而且讓金屬中原本一些空隙部分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楸环Q(chēng)為“馬氏體”的硬相。最終，科學(xué)家獲得了滿(mǎn)意的結(jié)果——晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了硬質(zhì)的馬氏體與軟質(zhì)的奧氏體相交替的條紋。他們終于獲得了這種既具備晶粒尺寸上的梯度結(jié)構(gòu)，又具備軟硬兩相相結(jié)合的金屬材料。

足絲是貽貝用于緊貼巖石表面的線(xiàn)狀組織，堅(jiān)韌而結(jié)實(shí)。面對(duì)巖石一端的足絲十分堅(jiān)硬，而連接貽貝一端的則更具有彈性。

以這樣的結(jié)構(gòu)制備的鋼鐵不僅擁有比其他鋼鐵更高的強(qiáng)度，而且不會(huì)變脆?？茖W(xué)家對(duì)此解釋道：硬相和軟相結(jié)合會(huì)幫助材料提高強(qiáng)度和韌性，而梯度則會(huì)使其外表更堅(jiān)固，內(nèi)里更具韌性。不過(guò)，這一成果比起自然結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，仍然顯得十分初級(jí)。

這樣的成就還只是人類(lèi)對(duì)于梯度材料探索的開(kāi)始。對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，制備完美金屬的關(guān)鍵還在于深入到材料制造的過(guò)程中去。2016年，有科學(xué)家將微小的銀立方體以超音速射向剛性的硅表面，這一高速?zèng)_擊的力度之大，直接導(dǎo)致銀立方體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而得到他們想要的梯度納米晶結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家認(rèn)為，沖擊波可以在整個(gè)材料中傳播開(kāi)去，從而形成一個(gè)漸進(jìn)的梯度變化，而這也是該方法的一大優(yōu)勢(shì)。

如何將目前實(shí)驗(yàn)室所取得的這些成功擴(kuò)大到可應(yīng)用的范圍，仍然是科學(xué)家們需要攻克的難題。模仿大自然的問(wèn)題在于，自然結(jié)構(gòu)是自下而上地完成的，是從原子或分子開(kāi)始構(gòu)建的，而人類(lèi)卻要走另一條道路，將大塊的金屬進(jìn)行解構(gòu)。許多人認(rèn)為，3D打印等新技術(shù)的興起或許能解決此難題。這些技術(shù)可以逐層構(gòu)筑材料，使得小規(guī)模的建造成為可能。但3D打印依然有其局限性，該技術(shù)的確能造出正確的形狀，但要制造出想要的金屬屬性卻是非常困難的，更別提制造更大規(guī)模的產(chǎn)品了。要解決這些問(wèn)題起碼還需要10年左右的時(shí)間。

不過(guò)，曙光就在眼前。樂(lè)觀(guān)的看法是，僅需5年，我們就可以在建筑中見(jiàn)到梯度納米晶粒鋼的身影，而其他超級(jí)金屬或許會(huì)更早地被用到一級(jí)方程式賽車(chē)或是生物醫(yī)學(xué)中。

當(dāng)人們?yōu)樽约翰槐M的探索及進(jìn)步鼓掌之時(shí)，再看看大自然那些令人望塵莫及的能力吧。還是之前提到的螳螂蝦，它們每三到四個(gè)月便會(huì)蛻一次殼并長(zhǎng)出新殼，從而消除掉成千上萬(wàn)次撞擊所造成的損害。這種強(qiáng)大的更新能力可能是科學(xué)家們想要攀登的下一個(gè)高峰。