結構：人造盔甲

謝雨桐/編譯

結構：人造盔甲

謝雨桐/編譯

研究者們正在借鑒犰狳外殼和珍珠母來創(chuàng)造人類骨骼的替代品，并研制一種新的防護服

你會放心讓一種由果凍和粉筆制成的骨骼來支撐你身體，讓你靈活運轉嗎？其中的羥磷灰石是一種無機礦物質(zhì)——白色易碎的，鈣基白堊物質(zhì)。而膠原，是骨骼中含碳的有機物質(zhì)，“它和膠質(zhì)很相近。”來自蘇黎世瑞士聯(lián)邦科技所的物質(zhì)科學家安德烈·斯圖達特（André Studart）說道。

就是從這些脆弱的生物中，大自然產(chǎn)生出了強壯靈活，能夠自我修復的結構。活細胞幫助這種裝納血液器官并支撐整個人體的復雜堅硬結構的生長。科學家們花費了多年時間試圖更好地理解這種復雜結構以及它是如何工作的。骨骼也并不是唯一值得調(diào)查的自然物質(zhì)。珍珠母，又稱作蚌殼，是非常具有抗斷性的。牙齒中的牙質(zhì)與骨骼類似，很大部分是由含鈣礦物、水和釉層底下結構復雜的有機物構成，能夠堅硬到咬開牛排或裂開堅果。在魚和犰狳身上的硬殼是一種典型的靈活的防水防穿孔的物質(zhì)。另外，2015年2月的一份研究報告指出，帽貝的牙齒，生而具有和礦物質(zhì)交織在一起的納米尺寸的纖維，這估計是大自然所創(chuàng)造的出的最堅韌的物質(zhì)。

如果科學家們能探索出構成以上這些物質(zhì)的內(nèi)在奧秘，人們也許就能夠用大量廉價的材料制作出自我修復的超硬物質(zhì)，或是造出替代人體器官的生物移植物。人類也就當然不被只存在于生物體中的物質(zhì)所限制。或許，大自然創(chuàng)造出的已經(jīng)存在百萬年的完美物質(zhì)可以應用到石墨、芳輪纖維、鈦或是玻璃中來創(chuàng)造出更高級的材料。

研究者在重新制造數(shù)千年里進化演變的物質(zhì)方面已經(jīng)取得了穩(wěn)定進步。盡管完整的人造骨骼仍是遙不可及的夢想，但人們現(xiàn)在已經(jīng)有可能做出人造蚌殼。通過研究骨骼人們發(fā)明出了抗震玻璃。物質(zhì)科學家們正在和軍方合作，模仿魚類自我保護的原理來制造盔甲。但是自然進化中有一樣東西是人類缺乏的，也就是倫敦帝國理工學院科學家愛德華多·塞茲（Eduardo Saiz）所說，“大自然不會像人類一樣受到時間限制。”

蚌殼的微觀結構激勵著科學家們探索廉價且堅硬的材料

奇聞異事

第一個挑戰(zhàn)就是了解這些物質(zhì)是如何構造的。骨骼、蚌殼還有其他堅硬的自然物質(zhì)，它們的原子、分子和納米級的結構都很復雜，反過來又影響它們微米級的結構，一直層層向上影響到脛骨或者是左臼齒。要弄清楚每層結構的復雜性需要使用大量最先進的技術，包括原子力顯微鏡技術、X射線分析，以及用X線斷層攝影術一片一片地觀察物質(zhì)，來自劍橋麻省理工學院的物質(zhì)研究學家克莉絲汀·奧爾蒂斯（Christine Ortiz）說道。她希望從這些大自然的物質(zhì)中汲取經(jīng)驗，但前提是了解它們每一層的物理結構。

在骨骼中，這種結構層級是很好理解的。它由長長的膠原分子開始：三條線纏繞成納米長的螺旋線，合起來形成一毫米厚的小纖維。這些小纖維繞在一起，形成大約10倍厚的細絲，中間留出恰好足夠的空間給羥磷灰石來增強其堅韌性。細絲們又組成一種平整的，像金屬薄片的結構，然后卷起來形成名為骨單位的管道，以供血管在骨頭內(nèi)部延伸。許許多多的骨單位共同組成了一整塊骨頭。

細胞能夠改變膠原纖維周圍的化學物質(zhì)來組成一種結構，或是產(chǎn)生一種礦化作用，這種能力處處存在。斯圖達特的目標就是模仿這種復雜結構，但理想離現(xiàn)實還很遙遠。“我們遠遠不能達到大自然造物的水平，”他說，“我們還沒有深入了解這種細胞究竟是做什么的。”

不過，科學家們正在嘗試學習這種結構上的復雜性，并創(chuàng)造出我們獨有的超級物質(zhì)。比如說，斯圖達特正在尋找其他的方式來了解骨骼中最原始的物質(zhì)構造。“我采用工程學的方法，也就是本例中的磁學方法。”他和他的團隊把少量的強磁性的納米級顆粒添加到由微小薄片和鋁棒、聚氨酯以及其他多種富有彈性的聚合物形成的合成材料中，使它們懸浮在溶劑中。一種脆弱的磁場發(fā)生作用導致磁性納米粒子沿一個特定的方向拖拽纖維，形成一種很像骨骼中膠原纖維的有序結構。一旦這些薄片和棒狀物就位，就可以通過蒸發(fā)溶劑使它們定格。斯圖達特用這種方法研制出了堅硬有耐性，并且變形后有復原能力的復合材料。

但是通過排列分子來形成穩(wěn)定性的材料只是自然界中的一件小事情。自然界中另外一個規(guī)律是同一些物質(zhì)會形成不同物理性能的材料。試想一下黏附在骨頭上的肌腱：開始時的物質(zhì)是相同的，尤其是其中的膠原，然后不同的數(shù)目結合成不同的結構，最后在同一個關節(jié)中具有相反的功能。在骨頭一端，它們是強硬的；在肌腱一端，它們沒有那么鈣化，形成了柔軟靈活的組織。斯圖達特正在實驗室中研究如何造出具有成分梯度的物質(zhì)，他做出了一種在5個數(shù)量層級上都具有不同彈性的物質(zhì)。相對于天然的骨腱結合只是在兩個數(shù)量層級上具有不同彈性，這是一種巨大的飛躍。在大自然中，物理性能的轉變?nèi)Q于羥磷灰石強化膠原纖維的程度。類似的，斯圖達特利用不同大小的氧化鋁分子或是合成黏土來強化聚氨酯，從而得到不同程度的彈性。

要想用人造材料取代傷痛的脊椎或肌腱還需努力。塞茲說：“探尋骨骼或蚌殼的機理并不是一蹴而就的事情。”他期待著3D打印機的出現(xiàn)，因為它能夠把一大堆材料的結構顯示出來。不過他說目前的打印機還不能顯示出納米級的結構。

細節(jié)決定成敗

骨頭、蚌殼以及牙齒的納米級結構中都含有片狀的礦物碎片，這些碎片就像墻上的磚頭一樣排列。事實上，骨細胞中有一種專門的蛋白質(zhì)來使礦物分子們排成墻體磚頭的形狀——這個過程叫做生物礦化。“這種自底向上的建造方式在實驗室中是很難還原的，”來自加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學材料工程師弗朗索瓦·貝特洛（Francois Barthelat）說道，“因為納米大小的磚形物操作起來很困難，而且在規(guī)模如此小的情況下，物質(zhì)表面力的性質(zhì)會失之毫厘，差之千里。”

包括塞茲在內(nèi)的一些物質(zhì)科學家說，要想制造出一種仿造骨頭的合成物，就有必要還原其每個層級的結構，包括納米層的、微觀的、宏觀的部分。但是也有其他人認為可以跳過最微小一層的結構。比如貝特洛就說，“我們不需要探究到納米層才能得到物質(zhì)的性質(zhì)。”不同于把納米小的磚形物堆成墻的方法，貝特洛從另一個角度研究這個問題。他的團隊把類似于骨頭中3D磚墻的物質(zhì)嵌進玻璃，但是那些磚塊是200微米寬，而非納米大。他們用激光穿進玻璃探測其表面和內(nèi)部。即使是以微米大的形式，這個試驗也產(chǎn)生了影響。貝特洛說仿生技術完全改變了物體的性質(zhì)。改造后的玻璃硬度是原有玻璃的200倍，而且可以改變形狀。貝特洛說原因在于，嵌入玻璃中的形狀就像擴展的裂紋一樣給了破壞性能量一個渠道，并使這種能量不受削弱地抽離出物體本身。他希望用這種方法做出的人造材料，如玻璃或陶瓷，能更加堅硬耐用，甚至比大自然中的物質(zhì)更好。

水外之魚

要想充分利用這些超硬的天然物質(zhì)意味著不僅要模仿它們的形狀，還要弄懂其功能。以魚鱗為例，它為魚類收縮、蹦跳或者扭動提供了堅硬的外殼。魚鱗能為如此不平的魚身提供良好保護的能力吸引了奧爾蒂斯，她正在調(diào)查這種天然防護性外表的結構是如何同其功能聯(lián)系起來的，并借此為人類研制防護服。

她的團隊研究了不同種類的魚鱗是如何在魚身被咬的時候提供保護的。他們發(fā)現(xiàn)魚鱗有很多層，大小不同的每一層都有獨特的變形機制、機械性能以及承重能力。他們按比例做出了放大的3D魚鱗模型；還發(fā)明了計算模型來為人體定制外衣，給脆弱的關節(jié)，如肩膀、膝蓋、胳膊肘，以及平整的身體軀干提供保護。奧爾蒂斯在研制衣服外形方面已經(jīng)有了專利，但真正可用的防護服還沒有達成現(xiàn)實，她說這個專利以及計算模型只是剛剛邁出的第一步。

迄今為止，人造的結構性材料還達不到骨頭、魚鱗或是蚌殼那么復雜，但也許我們并不需要這種復雜程度。石墨烯——一種單原子分子組成的蜂巢狀的碳物質(zhì)，是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅硬的物質(zhì)，一旦石墨烯的生產(chǎn)方法被掌握，用它來進行復雜的3D排列就可以制造出比其本身堅硬和靈活數(shù)百倍的材料。將天然形成過程應用于合成材料，制成輕盈靈敏、迅速反應、自我修復的堅硬物質(zhì)，將是未來超級材料的趨勢。斯圖達特說，“我們應當超越自然。”最難的一步是要先了解大自然。

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]