仿生材料的工业应用首秀：海洋生物的强韧奥秘让“超级钢”诞生
撰文 曹珊
编辑 徐文慧
雀尾螳螂虾（学名：Odontodactylusscyllarus）作为一种软甲动物，外表颜色鲜艳好似孔雀，看起来并不具有威胁性。但在捕食猎物时，它的“弹簧铁拳”（掠肢，第二对颚足）弹射速度可以超过80 km/h，冲击力可以击碎水族馆的厚玻璃！
雀尾螳螂虾
图片来源：Jens Petersen
海洋生物天生强韧的奥秘，除了给能生物本身带来美味的食物，还能为人类创造惊喜。
你很难想象，被广泛应用的金属材料——不锈钢，添加上大自然的智慧，竟然会有令人意想不到的效果。来自加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的青年华人女科学家曹珊博士和她的博士后导师 Robert O. Ritchie 院士，以及香港城市大学吕坚院士，对海洋贝壳类生物的足丝（Byssus）进行了深入研究，通过仿生手段将这种生物的材料结构实现在了不锈钢材料中，使其机械性能得以提高。研究成果于 5 月 23 日发表在 Scientific Reports 上。
Ritchie 院士、吕坚院士和曹珊博士（从左至右）
研究者们成功研制出了交错双相超级纳米多级结构（alternative dual-phase hierarchical steels），并从实验及理论角度证明了该结构对于材料宏观力学性能的唯一性和独特性的贡献。这一仿生应用，能够在更复杂的环境中提高材料的抗断裂性能和使用寿命。受到学界、工业界和媒体的广泛关注和认可。
模仿海洋生物来制备超强钢的想法来自曹珊博士与其导师Ritchie教授、吕坚教授和麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的华人科学家道明博士以及弗吉尼亚大学（University of Virginia）李灵教授的频繁讨论。
整个想法的灵感来自 2011 年 Ritchie 教授发表在 Nature Material 上的名为“The conflicts between strength and toughness”的论文。在该论文中，Ritchie 教授介绍了数种不同的天然材料，这些材料具有“与生俱来”的高强韧特性。其中一种生物材料是珍珠质（nacre，由贝壳硬蛋白粘合在一起的文石和方解石混合物）。
通过深入研究珍珠质材料，曹珊博士和李灵博士发现与珍珠质连接的足丝（以壳基质为主要成分的硬蛋白强韧性纤维束）十分特别，它能将珍珠质层固定在岩石上，以保护它免受海浪的冲刷。
贻贝通过足丝附着在岩石上
图片来源：Brocken Inaglory
为了实现这种功能，这种足丝材料必须非常牢固，即使每天经历数百次的海水的“攻击”也不会受损。这种材料经过数千年的洗礼，在大自然中不断进化，拥有很高的强度和韧性。这就是为什么曹珊博士等科学家决定将足丝“复制”到他们的钢材上，通过吕坚教授发明的表面机械研磨处理（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）技术，他们完美的实现了精确的结构控制。
结果出乎意料地令人满意：这种被称为“生物启发多级钢”（Bio-inspired Hierarchical Steels）的材料在机械性能上具有非凡的优势。从结构上来讲，这种材料具有交错双相超级纳米多级结构，与大自然中的多级材料不谋而合，从某种程度上这是首次证明了仿生材料工业应用的可靠性；同时，这种特殊结构对于材料宏观力学性能的唯一性和独特性的贡献，为科学家们后续研究仿生结构材料奠定了基础。
仿生多级钢设计概念示意图
研究成果被著名科研网站 ResearchGate 评为“最多阅读奖”（Most Read Award），同时也受到国外专家的广泛关注和赞誉，被丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）的校长、日本著名科学家小林俊郎教授（Toshiro Kobayashi）评价为“令人印象深刻的创新而有趣的科学工作”；Ritchie 院士和曹珊博士也受到了美国著名媒体 NewScientist 的特别采访。
这种仿生多级钢的应用也是多种多样的：在生物医疗设备中，因其高强高纫抗断裂、抗疲劳腐蚀以及使用寿命长的特性，这种海洋生物启发的纳米材料可作为心脏搭桥植入手术的支架（Heart stent）材料，能够大幅降低医疗成本、改善患者体验；在工业生产中，还可以用在航空飞机发动机和核燃料棒材料中等。研究者们相信这种仿生多级钢将成为开发新功能结构材料的先驱。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-018-23358-7
NewScientist 报道：
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