大自然创造的神奇材料

螳螂虾的螯,雄鹿的鹿角,短吻鳄的铠甲中都包含着改良金属的秘诀。

螳螂虾附肢的超能力

美丽的雀尾螳螂虾拥有斑斓的色彩、圆圆的眼睛,细弱的双腿好似水中浮动的杂草。这种虾看起来一点儿攻击性也没有,但在它那看似普通的甲壳下,却潜藏着一种非凡的武器——附肢。一旦螳螂虾受惊,它那棒槌状的附肢便会以比一级方程式赛车更大的加速度向前推进,其产生的巨大力量可以击碎水族馆的玻璃缸!

这可是螳螂蝦的一种非凡的能力!尤其是,螳螂虾的这些具有致命力量的附肢,其组织成分并没什么特别,和人类的骨骼或牙齿中的物质成分差不多。在大自然中,这样的神奇动物还不止螳螂虾一种。许许多多的动植物都已能够仅仅利用简单的自然原料(如矿物质、蛋白质和糖类等),在没有任何人类工业机械的帮助下,创造出足以与人类设计制造的任一复杂产品相媲美的结构。

对于自然界如此神奇的能力,人类一直都很想模仿。经过科学家多年的潜心研究,这些大自然工程材料结构的奥秘才逐渐被人们所揭示。直到最近,我们才可以复制并利用这些结构中的组分在纳米级上的排列方式。随着人类的制造技术及原材料的改进,科学家开始寻求超越自然——借鉴从自然中获取的秘诀,去重新设计一种新型材料——超级金属。

金属材料的缺陷

金属,其显著特点是其非同一般的强度与韧性。不妨用粉笔和奶酪来比喻这两个特性。粉笔比奶酪坚硬,能够抵抗载荷而不会弯曲,但粉笔韧性差,易碎且容易折断;奶酪较粉笔硬度差很远,但非常柔韧,在断裂前先变形。金属材料虽然强度与韧性兼有,但金属有个弱点:任何试图提高金属自然强度的尝试,都会降低金属的韧性。

数千年来,人类一直没有停止使用金属这种材料,但科学家们也一直想要改变金属的弱点。如果钢材在不降低其韧性的情况下有了更高的强度,其使用效率便会提高。这意味着不管是飞机、无人机还是汽车,都可以减轻重量。这不仅可以节省成本,还可节省燃料,并能减少会导致地球变暖的二氧化碳排放量。新的改良金属还可以用于减轻置换的髋关节、仿生手、机器人和管道等结构的重量,也能增强钢筋混凝土的强度和航天器外涂层的强度(以避免航天器因受撞击而损毁)。

在过去的20年里,随着对纳米级材料尺寸控制工艺的改善,科学家开始尝试通过使金属的颗粒状晶体变小来提高金属强度。不过,这些纳米晶金属虽然非常坚硬,但脆性也大,因此很难应用到日常结构中。比如,如果用高强度的材料来建造大桥,就无须采用厚重的主梁,但整座桥却有折断的可能。那么,既然完全依靠提高金属强度达不到想要的目的,人们该怎么办呢?当科学家再次把目光投向大自然时,他们发现,自然界早已成功规避了这一问题。

自然界生物材料结构的奥秘

生物材料通常由硬性的生物矿物质(如碳酸钙或二氧化硅)和软性生物聚合物(如蛋白质或糖)的混合物组成。硬的部分提供强度,软的部分则提供韧性。当软硬结合时,其表现比两者单独表现相加要优异得多。

还是以螳螂虾为例。在螳螂虾那与人类骨骼相似的薄而强硬的磷酸钙表层下,是一些渐次嵌入的柔软且呈纤维状的糖分子层。这样软硬结合的方式,比起单独使用任何一种材料都具备更好的强度及韧性。不过,真正使得螳螂虾的附肢拥有攻击能力的秘密是其表层下分子组合的结构性改变。离表层越远,磷酸钙的结晶就越少,排列的糖分子层也变得更薄,并且每个糖分子层还会依次进行一定角度的旋转,这就如减震器般分散撞击力,并防止受撞击时产生的微小裂痕进一步扩散。

竹茎的出色柔韧性便来自其纤维结构的分布梯度,竹茎表层会聚集更多的纤维素以确保竹茎不易折断。人类牙齿的两种不同的组织——牙本质与牙釉质之间也会形成梯度。

这样的梯度结构正是自然界生物材料的秘密所在,梯度结构几乎遍布所有的生物结构。甚至要想在自然界中找到不具备梯度结构的生物可能更难。

梯度结构的表现形式是多种多样的。例如,竹茎的出色柔韧性便来自其纤维结构的分布梯度,竹茎表层会聚集更多的纤维素以确保竹茎不易折断。同样,短吻鳄的保护性骨板在结构上也具有梯度。骨板由四种不同类型的骨骼组成,其中每种骨骼的胶原纤维的排列方式亦各有不同,从而形成了坚硬的上表面、多孔的内核以及较柔软的基底层。另外,同样由胶原蛋白构成的鱼鳞,也具有梯度结构。当这些胶原蛋白位于表层时,其矿化程度很高,从而具备足够的硬度来抵御掠食者的牙齿;而在表层之下,矿化程度则较低,以保证组织的柔韧性。甚至在我们人类牙齿的两种不同的组织——牙本质与牙釉质之间也会形成梯度,以确保形成平滑过渡的交界面,不会因为结构上突然的变化导致应力集中而最终使得牙齿断裂。

对于上述这些现象,科学家认为,大自然之所以会巧用这些“妙招”,是因为大自然要处理的材料的原料都是胶原蛋白、几丁质和矿物质之类,这些原料在我们人类看来并不是理想的结构材料,但大自然却有能力将它们最终制作成精妙的结构。

探索与难题

为了借鉴大自然的这种能力,人类已经花费了不少的时间来探索。还好,现在我们已经慢慢开始掌握大自然的这一秘诀了。

早在2011年,我国沈阳材料科学国家实验室的卢柯院士及其团队便成功地在铜中制备出一种梯度结构。这种结构在表面具有纳米级的微小晶粒,向内直至过渡到基本晶粒大小。卢柯院士通过反复打磨金属表面来做到了这一点。这样的梯度结构可以使金属在保持内部结构不变的情况下,将外层细分为更小的颗粒,从而增加其强度。被卢柯比喻為“牙齿表面的牙釉质”的这个外层所提供的梯度,让铜的强度提高了两倍,但不会降低铜的韧性。这一发现极为重要,它表明:在同时提高金属的强度与韧性互斥的问题上,人类已经取得了突破。

受到贻贝足丝的启发,美国科学家在拓展梯度纳米颗粒概念方面又更进了一步。足丝是贻贝用于紧贴岩石表面的线状组织,坚韧而结实。其结构中的梯度非常大,面对岩石一端的足丝十分坚硬,而连接贻贝一端的则更具有弹性,其刚性更是降低到了岩石一端的1/10。为了形成这样显著的梯度差异,构成足丝的胶原蛋白形式会随着足丝的延展而不断发生变化。

不过,想要复制贻贝足丝的结构,科学家面临着一个难题:需要比铜更为复杂的材料。这是因为,包裹足丝纤维的还有一个含有硬颗粒的坚硬外层,而这种结构不可能在纯金属中复制。于是,科学家将目光转向了钢铁——由铁、碳以及其他元素组成的合金。与卢柯院士一样,这些美国科学家也采用打磨金属表面的办法来获得梯度,但他们的方法是采用了数百个小钢球砸向金属表面。这样不仅可以产生晶粒尺度梯度,而且让金属中原本一些空隙部分的结构转变为被称为“马氏体”的硬相。最终,科学家获得了满意的结果——晶粒内部产生了硬质的马氏体与软质的奥氏体相交替的条纹。他们终于获得了这种既具备晶粒尺寸上的梯度结构,又具备软硬两相相结合的金属材料。

足丝是贻贝用于紧贴岩石表面的线状组织,坚韧而结实。面对岩石一端的足丝十分坚硬,而连接贻贝一端的则更具有弹性。

以这样的结构制备的钢铁不仅拥有比其他钢铁更高的强度,而且不会变脆。科学家对此解释道:硬相和软相结合会帮助材料提高强度和韧性,而梯度则会使其外表更坚固,内里更具韧性。不过,这一成果比起自然结构来说,仍然显得十分初级。

这样的成就还只是人类对于梯度材料探索的开始。对于科学家来说,制备完美金属的关键还在于深入到材料制造的过程中去。2016年,有科学家将微小的银立方体以超音速射向刚性的硅表面,这一高速冲击的力度之大,直接导致银立方体的结构发生变形,从而得到他们想要的梯度纳米晶结构。科学家认为,冲击波可以在整个材料中传播开去,从而形成一个渐进的梯度变化,而这也是该方法的一大优势。

如何将目前实验室所取得的这些成功扩大到可应用的范围,仍然是科学家们需要攻克的难题。模仿大自然的问题在于,自然结构是自下而上地完成的,是从原子或分子开始构建的,而人类却要走另一条道路,将大块的金属进行解构。许多人认为,3D打印等新技术的兴起或许能解决此难题。这些技术可以逐层构筑材料,使得小规模的建造成为可能。但3D打印依然有其局限性,该技术的确能造出正确的形状,但要制造出想要的金属属性却是非常困难的,更别提制造更大规模的产品了。要解决这些问题起码还需要10年左右的时间。

不过,曙光就在眼前。乐观的看法是,仅需5年,我们就可以在建筑中见到梯度纳米晶粒钢的身影,而其他超级金属或许会更早地被用到一级方程式赛车或是生物医学中。

当人们为自己不尽的探索及进步鼓掌之时,再看看大自然那些令人望尘莫及的能力吧。还是之前提到的螳螂虾,它们每三到四个月便会蜕一次壳并长出新壳,从而消除掉成千上万次撞击所造成的损害。这种强大的更新能力可能是科学家们想要攀登的下一个高峰。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:58。
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