登上最新一期《科學(xué)》封面的是一只饅頭海星的骨骼局部圖。在掃描電子顯微鏡下，其上密布著鱗次櫛比的小方解石晶體。

這篇2月11日發(fā)表于《科學(xué)》的論文，介紹了科學(xué)家首次在自然界中發(fā)現(xiàn)的這種神奇結(jié)構(gòu)，它在原子和微米雙尺度上都呈現(xiàn)單晶結(jié)構(gòu)。以人類現(xiàn)有技術(shù)，還無法復(fù)制出這種材料。

“海星骨骼是由多孔碳酸鈣材料組成的，這種材料的化學(xué)成分與粉筆一樣非常易碎。但我們看到的海星既靈活又強(qiáng)韌。這是一種純天然、具有良好性能的多孔輕質(zhì)陶瓷材料。”論文通訊作者、美國弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程系助理教授李靈對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。

“瘋狂”的海星

輕盈、堅(jiān)固的材料對(duì)汽車和航空航天制造等行業(yè)來說是理想的材料。

在弗吉尼亞理工大學(xué)生物和仿生材料實(shí)驗(yàn)室，李靈團(tuán)隊(duì)正在研究天然輕質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，相比人類的創(chuàng)意，大自然的設(shè)計(jì)總是更加瘋狂。

以饅頭海星這一印度—太平洋地區(qū)的常見物種為例，其骨骼由不計(jì)其數(shù)的、直徑只有幾毫米的“小骨”組成。這些小骨與軟組織相連，使饅頭海星能夠靈活運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，每個(gè)小骨又由細(xì)密緊致的微晶格構(gòu)成。這種分枝狀結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像迷你的埃菲爾鐵塔，精巧、有序、繁復(fù)。

這個(gè)“藝術(shù)品”非常輕巧，其主要組成成分碳酸鈣的密度只有2.7g/cm3。再加上它的整個(gè)結(jié)構(gòu)有一半是規(guī)則排列的孔洞，總體平均密度和水(1g/cm3)差不多。

碳酸鈣是一種隨處可見而且不被重視的材料。輕輕一掰就碎的粉筆，就是由碳酸鈣結(jié)晶方解石構(gòu)成的。但一種物質(zhì)在不同結(jié)構(gòu)下，性能也會(huì)極為不同。

“海星的骨骼就像用一整塊方解石單晶雕刻出來的周期性晶格。這種近乎完美的雙尺度微晶格結(jié)構(gòu)此前從未被報(bào)道過。”李靈說。

這種結(jié)構(gòu)讓海星可以在特定方向上強(qiáng)化骨骼，既靈活又堅(jiān)固。更神奇的是，在微晶格斷裂時(shí)，該結(jié)構(gòu)還能阻止裂紋進(jìn)一步發(fā)展。

研究人員還注意到它的另一個(gè)性能：吸能。這個(gè)概念常常出現(xiàn)在汽車上，是指在激烈碰撞中，材料本身的破碎能吸收掉一部分動(dòng)能，以保護(hù)車?yán)锏某丝?。?jīng)測算，海星骨骼材料的吸能指標(biāo)比現(xiàn)在常用的泡沫陶瓷高出許多。

然而，“很遺憾，人類現(xiàn)有技術(shù)還不足以復(fù)制這種材料”。李靈說。

李靈團(tuán)隊(duì)用3D打印技術(shù)制作了一個(gè)立方體模型，能讓人們從視覺上了解這種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但這只是塑料而不是單晶的。如果要制成陶瓷產(chǎn)品，可能會(huì)引入許多無法控制的微小氣孔和裂紋。

李靈希望，技術(shù)的進(jìn)步和深入的研究最終能提供一個(gè)理想的解決方案，讓這一大自然的絕妙設(shè)計(jì)走進(jìn)產(chǎn)業(yè)，造福人類。

從“海鮮”中尋寶

李靈實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)擅長從“海鮮”中尋寶的團(tuán)隊(duì)。他們的研究目標(biāo)有海膽、魚、貝類、墨魚、龍蝦，等等。

美國南方沿海各州的水產(chǎn)品公司，有時(shí)會(huì)專門向?qū)嶒?yàn)室出售海洋生物樣品。

李靈還清楚記得，這項(xiàng)關(guān)于海星的工作始于一次電鏡觀察實(shí)驗(yàn)。那天他帶著一名博士生用掃描電子顯微鏡觀察不同種類海洋生物生成的多孔材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了饅頭海星的奇特結(jié)構(gòu)。

“海星是一種長得很規(guī)整的小動(dòng)物，而饅頭海星比其他海星長得更規(guī)整。”李靈說。

他立刻想到，之前的研究顯示海星骨骼在原子尺度上是單晶結(jié)構(gòu)的，而饅頭海星的骨骼似乎在微米尺度上也呈現(xiàn)單晶結(jié)構(gòu)。如果真的是雙尺度上的單晶結(jié)構(gòu)，那就是在自然界和人工制品中均未報(bào)道過的神奇結(jié)構(gòu)，也是非常具有潛力和啟發(fā)意義的結(jié)構(gòu)。

饅頭海星沒有辜負(fù)李靈的期望。

“大海是一座非常豐富的寶庫。但如果我們前期沒有很好的積累，就無法從眾多海洋生物中發(fā)現(xiàn)饅頭海星的與眾不同。”李靈說，“科研工作者需要有這種積淀和敏感度。”

除了饅頭海星外，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)揭秘了能抵抗深海高壓的墨魚骨骼、為咬開貝殼而生的黑鼓魚牙齒、具有多種功能的海綿骨骼、學(xué)術(shù)界的“明星”海膽刺……他們還發(fā)現(xiàn)某些貝類生物具有可成像的礦物質(zhì)眼睛。

“海星等海洋動(dòng)物向我們揭示了一個(gè)材料創(chuàng)新的世界，這對(duì)它們?cè)诼邮痴邫M行的海底世界生存至關(guān)重要。”未參與該研究的弗吉尼亞理工大學(xué)地球科學(xué)系教授Patricia Dove說，“研究這些結(jié)構(gòu)的潛在機(jī)械工程性能，對(duì)前沿新材料的設(shè)計(jì)有潛在意義。”

“這是一張很美的圖片”

李靈認(rèn)為，這篇論文之所以能登上《科學(xué)》封面，是因?yàn)?ldquo;這是一張很美的圖片”。

“它可以讓你領(lǐng)略到大自然奇妙的對(duì)稱美。首先你能看到背景中具有光滑表面的微晶格結(jié)構(gòu)。它像是一種極其規(guī)整的格子。然后你可以看到在后期實(shí)驗(yàn)過程中生長出的碳酸鈣小晶體，它們也都排列得非常整齊，有著一致的方向和高度的對(duì)稱性。正是這種復(fù)雜卻極具秩序的結(jié)構(gòu)，讓原本脆弱的材料變得更加輕盈、強(qiáng)勁，并且對(duì)機(jī)械損傷有了很高的耐受度。”

至于圖片的藍(lán)紫色調(diào)，則是李靈“隨便調(diào)出來的”。

包括李靈在內(nèi)，這篇論文的大多數(shù)作者都是中國人。楊婷、陳洪順、賈子安、鄧志飛、陳柳霓等中國研究生都作出了貢獻(xiàn)。

在李靈看來，這是一群聰明勤奮而且極具個(gè)性的年輕人，他很享受跟他們一起開展研究。他同時(shí)也想盡一份力，引導(dǎo)他們?cè)诳茖W(xué)研究的道路上走得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)。

李靈期待未來能帶領(lǐng)這個(gè)充滿青春活力的團(tuán)隊(duì)，師法自然，拓展人類的技術(shù)邊界，研發(fā)出更輕、更強(qiáng)、更激動(dòng)人心的新型材料。(記者 李晨陽)

關(guān)鍵詞： 饅頭海星 骨骼局部圖 小方解石晶體 多孔碳酸鈣材料