大自然創造的神奇材料

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，細弱的雙腿好似水中浮動的雜草。這種蝦看起來一點兒攻擊性也沒有，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以比一級方程式賽車更大的加速度向前推進，其產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，其組織成分并沒什么特別，和人類的骨骼或牙齒中的物質成分差不多。在大自然中，這樣的神奇動物還不止螳螂蝦一種。許許多多的動植物都已能夠僅僅利用簡單的自然原料（如礦物質、蛋白質和糖類等），在沒有任何人類工業機械的幫助下，創造出足以與人類設計制造的任一復雜產品相媲美的結構。

對于自然界如此神奇的能力，人類一直都很想模仿。經過科學家多年的潛心研究，這些大自然工程材料結構的奧秘才逐漸被人們所揭示。直到最近，我們才可以復制并利用這些結構中的組分在納米級上的排列方式。隨著人類的制造技術及原材料的改進，科學家開始尋求超越自然——借鑒從自然中獲取的秘訣，去重新設計一種新型材料——超級金屬。

金屬材料的缺陷

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

數千年來，人類一直沒有停止使用金屬這種材料，但科學家們也一直想要改變金屬的弱點。如果鋼材在不降低其韌性的情況下有了更高的強度，其使用效率便會提高。這意味著不管是飛機、無人機還是汽車，都可以減輕重量。這不僅可以節省成本，還可節省燃料，并能減少會導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節、仿生手、機器人和管道等結構的重量，也能增強鋼筋混凝土的強度和航天器外涂層的強度（以避免航天器因受撞擊而損毀）。

在過去的20年里，隨著對納米級材料尺寸控制工藝的改善，科學家開始嘗試通過使金屬的顆粒狀晶體變小來提高金屬強度。不過，這些納米晶金屬雖然非常堅硬，但脆性也大，因此很難應用到日常結構中。比如，如果用高強度的材料來建造大橋，就無須采用厚重的主梁，但整座橋卻有折斷的可能。那么，既然完全依靠提高金屬強度達不到想要的目的，人們該怎么辦呢？當科學家再次把目光投向大自然時，他們發現，自然界早已成功規避了這一問題。

自然界生物材料結構的奧秘

生物材料通常由硬性的生物礦物質（如碳酸鈣或二氧化硅）和軟性生物聚合物（如蛋白質或糖）的混合物組成。硬的部分提供強度，軟的部分則提供韌性。當軟硬結合時，其表現比兩者單獨表現相加要優異得多。

還是以螳螂蝦為例。在螳螂蝦那與人類骨骼相似的薄而強硬的磷酸鈣表層下，是一些漸次嵌入的柔軟且呈纖維狀的糖分子層。這樣軟硬結合的方式，比起單獨使用任何一種材料都具備更好的強度及韌性。不過，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構性改變。離表層越遠，磷酸鈣的結晶就越少，排列的糖分子層也變得更薄，并且每個糖分子層還會依次進行一定角度的旋轉，這就如減震器般分散撞擊力，并防止受撞擊時產生的微小裂痕進一步擴散。

竹莖的出色柔韌性便來自其纖維結構的分布梯度，竹莖表層會聚集更多的纖維素以確保竹莖不易折斷。

人類牙齒的兩種不同的組織——牙本質與牙釉質之間也會形成梯度。

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

梯度結構的表現形式是多種多樣的。例如，竹莖的出色柔韌性便來自其纖維結構的分布梯度，竹莖表層會聚集更多的纖維素以確保竹莖不易折斷。同樣，短吻鱷的保護性骨板在結構上也具有梯度。骨板由四種不同類型的骨骼組成，其中每種骨骼的膠原纖維的排列方式亦各有不同，從而形成了堅硬的上表面、多孔的內核以及較柔軟的基底層。另外，同樣由膠原蛋白構成的魚鱗，也具有梯度結構。當這些膠原蛋白位于表層時，其礦化程度很高，從而具備足夠的硬度來抵御掠食者的牙齒;而在表層之下，礦化程度則較低，以保證組織的柔韌性。甚至在我們人類牙齒的兩種不同的組織——牙本質與牙釉質之間也會形成梯度，以確保形成平滑過渡的交界面，不會因為結構上突然的變化導致應力集中而最終使得牙齒斷裂。

對于上述這些現象，科學家認為，大自然之所以會巧用這些“妙招”，是因為大自然要處理的材料的原料都是膠原蛋白、幾丁質和礦物質之類，這些原料在我們人類看來并不是理想的結構材料，但大自然卻有能力將它們最終制作成精妙的結構。

探索與難題

為了借鑒大自然的這種能力，人類已經花費了不少的時間來探索。還好，現在我們已經慢慢開始掌握大自然的這一秘訣了。

早在2011年，我國沈陽材料科學國家實驗室的盧柯院士及其團隊便成功地在銅中制備出一種梯度結構。這種結構在表面具有納米級的微小晶粒，向內直至過渡到基本晶粒大小。盧柯院士通過反復打磨金屬表面來做到了這一點。這樣的梯度結構可以使金屬在保持內部結構不變的情況下，將外層細分為更小的顆粒，從而增加其強度。被盧柯比喻為“牙齒表面的牙釉質”的這個外層所提供的梯度，讓銅的強度提高了兩倍，但不會降低銅的韌性。這一發現極為重要，它表明：在同時提高金屬的強度與韌性互斥的問題上，人類已經取得了突破。

受到貽貝足絲的啟發，美國科學家在拓展梯度納米顆粒概念方面又更進了一步。足絲是貽貝用于緊貼巖石表面的線狀組織，堅韌而結實。其結構中的梯度非常大，面對巖石一端的足絲十分堅硬，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，構成足絲的膠原蛋白形式會隨著足絲的延展而不斷發生變化。

不過，想要復制貽貝足絲的結構，科學家面臨著一個難題：需要比銅更為復雜的材料。這是因為，包裹足絲纖維的還有一個含有硬顆粒的堅硬外層，而這種結構不可能在純金屬中復制。于是，科學家將目光轉向了鋼鐵——由鐵、碳以及其他元素組成的合金。與盧柯院士一樣，這些美國科學家也采用打磨金屬表面的辦法來獲得梯度，但他們的方法是采用了數百個小鋼球砸向金屬表面。這樣不僅可以產生晶粒尺度梯度，而且讓金屬中原本一些空隙部分的結構轉變為被稱為“馬氏體”的硬相。最終，科學家獲得了滿意的結果——晶粒內部產生了硬質的馬氏體與軟質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構，又具備軟硬兩相相結合的金屬材料。

足絲是貽貝用于緊貼巖石表面的線狀組織，堅韌而結實。面對巖石一端的足絲十分堅硬，而連接貽貝一端的則更具有彈性。

以這樣的結構制備的鋼鐵不僅擁有比其他鋼鐵更高的強度，而且不會變脆。科學家對此解釋道：硬相和軟相結合會幫助材料提高強度和韌性，而梯度則會使其外表更堅固，內里更具韌性。不過，這一成果比起自然結構來說，仍然顯得十分初級。

這樣的成就還只是人類對于梯度材料探索的開始。對于科學家來說，制備完美金屬的關鍵還在于深入到材料制造的過程中去。2016年，有科學家將微小的銀立方體以超音速射向剛性的硅表面，這一高速沖擊的力度之大，直接導致銀立方體的結構發生變形，從而得到他們想要的梯度納米晶結構。科學家認為，沖擊波可以在整個材料中傳播開去，從而形成一個漸進的梯度變化，而這也是該方法的一大優勢。

如何將目前實驗室所取得的這些成功擴大到可應用的范圍，仍然是科學家們需要攻克的難題。模仿大自然的問題在于，自然結構是自下而上地完成的，是從原子或分子開始構建的，而人類卻要走另一條道路，將大塊的金屬進行解構。許多人認為，3D打印等新技術的興起或許能解決此難題。這些技術可以逐層構筑材料，使得小規模的建造成為可能。但3D打印依然有其局限性，該技術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，更別提制造更大規模的產品了。要解決這些問題起碼還需要10年左右的時間。

不過，曙光就在眼前。樂觀的看法是，僅需5年，我們就可以在建筑中見到梯度納米晶粒鋼的身影，而其他超級金屬或許會更早地被用到一級方程式賽車或是生物醫學中。

當人們為自己不盡的探索及進步鼓掌之時，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，它們每三到四個月便會蛻一次殼并長出新殼，從而消除掉成千上萬次撞擊所造成的損害。這種強大的更新能力可能是科學家們想要攀登的下一個高峰。