海洋中軟甲生物的強(qiáng)韌遠(yuǎn)超想象，小蝦的出拳加速度竟能超過(guò) F1 賽車，沖擊力可想而知。科學(xué)家用了 6 年的時(shí)間，終于發(fā)現(xiàn)這種天生強(qiáng)韌背后的秘密，并將貝殼類生物的相應(yīng)結(jié)構(gòu)通過(guò)仿生手段應(yīng)用于工業(yè)材料的不銹鋼中，提高了材料的機(jī)械韌性。華人科學(xué)家首次在世界范圍內(nèi)提出“超納仿生多級(jí)鋼（Bio-inspired Hierarchical Steels）”概念，根據(jù)生物物理現(xiàn)象成功仿生設(shè)計(jì)出了多級(jí)高強(qiáng)高紉超納鋼材料（Supra-Nano Hierarchical Steels）。

    雀尾螳螂蝦（學(xué)名：Odontodactylusscyllarus）作為一種軟甲動(dòng)物，外表顏色鮮艷好似孔雀，看起來(lái)并不具有威脅性。但在捕食獵物時(shí)，它的“彈簧鐵拳”（掠肢，第二對(duì)顎足）彈射速度可以超過(guò)80 km/h，沖擊力可以擊碎水族館的厚玻璃！

雀尾螳螂蝦

圖片來(lái)源：Jens Petersen

    海洋生物天生強(qiáng)韌的奧秘，除了給能生物本身帶來(lái)美味的食物，還能為人類創(chuàng)造驚喜。

    你很難想象，被廣泛應(yīng)用的金屬材料——不銹鋼，添加上大自然的智慧，竟然會(huì)有令人意想不到的效果。來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）的青年華人女科學(xué)家曹珊博士和她的博士后導(dǎo)師 Robert O. Ritchie 院士，以及香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士，對(duì)海洋貝殼類生物的足絲（Byssus）進(jìn)行了深入研究，通過(guò)仿生手段將這種生物的材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在了不銹鋼材料中，使其機(jī)械性能得以提高。研究成果于 5 月 23 日發(fā)表在 Scientific Reports 上。

Ritchie 院士、呂堅(jiān)院士和曹珊博士（從左至右）

    研究者們成功研制出了交錯(cuò)雙相超級(jí)納米多級(jí)結(jié)構(gòu)（alternative dual-phase hierarchical steels），并從實(shí)驗(yàn)及理論角度證明了該結(jié)構(gòu)對(duì)于材料宏觀力學(xué)性能的唯一性和獨(dú)特性的貢獻(xiàn)。這一仿生應(yīng)用，能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中提高材料的抗斷裂性能和使用壽命。受到學(xué)界、工業(yè)界和媒體的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。

    模仿海洋生物來(lái)制備超強(qiáng)鋼的想法來(lái)自曹珊博士與其導(dǎo)師Ritchie教授、呂堅(jiān)教授和麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的華人科學(xué)家道明博士以及弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）李靈教授的頻繁討論。

    整個(gè)想法的靈感來(lái)自 2011 年 Ritchie 教授發(fā)表在 Nature Material 上的名為“The conflicts between strength and toughness”的論文。在該論文中，Ritchie 教授介紹了數(shù)種不同的天然材料，這些材料具有“與生俱來(lái)”的高強(qiáng)韌特性。其中一種生物材料是珍珠質(zhì)（nacre，由貝殼硬蛋白粘合在一起的文石和方解石混合物）。

    通過(guò)深入研究珍珠質(zhì)材料，曹珊博士和李靈博士發(fā)現(xiàn)與珍珠質(zhì)連接的足絲（以殼基質(zhì)為主要成分的硬蛋白強(qiáng)韌性纖維束）十分特別，它能將珍珠質(zhì)層固定在巖石上，以保護(hù)它免受海浪的沖刷。

貽貝通過(guò)足絲附著在巖石上

圖片來(lái)源：Brocken Inaglory

    為了實(shí)現(xiàn)這種功能，這種足絲材料必須非常牢固，即使每天經(jīng)歷數(shù)百次的海水的“攻擊”也不會(huì)受損。這種材料經(jīng)過(guò)數(shù)千年的洗禮，在大自然中不斷進(jìn)化，擁有很高的強(qiáng)度和韌性。這就是為什么曹珊博士等科學(xué)家決定將足絲“復(fù)制”到他們的鋼材上，通過(guò)呂堅(jiān)教授發(fā)明的表面機(jī)械研磨處理（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）技術(shù)，他們完美的實(shí)現(xiàn)了精確的結(jié)構(gòu)控制。

    結(jié)果出乎意料地令人滿意：這種被稱為“生物啟發(fā)多級(jí)鋼”（Bio-inspired Hierarchical Steels）的材料在機(jī)械性能上具有非凡的優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，這種材料具有交錯(cuò)雙相超級(jí)納米多級(jí)結(jié)構(gòu)，與大自然中的多級(jí)材料不謀而合，從某種程度上這是首次證明了仿生材料工業(yè)應(yīng)用的可靠性；同時(shí)，這種特殊結(jié)構(gòu)對(duì)于材料宏觀力學(xué)性能的唯一性和獨(dú)特性的貢獻(xiàn)，為科學(xué)家們后續(xù)研究仿生結(jié)構(gòu)材料奠定了基礎(chǔ)。

仿生多級(jí)鋼設(shè)計(jì)概念示意圖

    研究成果被著名科研網(wǎng)站 ResearchGate 評(píng)為“最多閱讀獎(jiǎng)”（Most Read Award），同時(shí)也受到國(guó)外專家的廣泛關(guān)注和贊譽(yù)，被豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)（Toyohashi University of Technology）的校長(zhǎng)、日本著名科學(xué)家小林俊郎教授（Toshiro Kobayashi）評(píng)價(jià)為“令人印象深刻的創(chuàng)新而有趣的科學(xué)工作”；Ritchie 院士和曹珊博士也受到了美國(guó)著名媒體 NewScientist 的特別采訪。

    這種仿生多級(jí)鋼的應(yīng)用也是多種多樣的：在生物醫(yī)療設(shè)備中，因其高強(qiáng)高紉抗斷裂、抗疲勞腐蝕以及使用壽命長(zhǎng)的特性，這種海洋生物啟發(fā)的納米材料可作為心臟搭橋植入手術(shù)的支架（Heart stent）材料，能夠大幅降低醫(yī)療成本、改善患者體驗(yàn)；在工業(yè)生產(chǎn)中，還可以用在航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和核燃料棒材料中等。研究者們相信這種仿生多級(jí)鋼將成為開(kāi)發(fā)新功能結(jié)構(gòu)材料的先驅(qū)。

    論文鏈接：

    https://www.nature.com/articles/s41598-018-23358-7

    NewScientist 報(bào)道：

    https://www.newscientist.com/article/mg23931970-100-hacking-natures-coolest-inventions-to-create-the-perfect-metal/

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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