從人骨的微觀結(jié)構(gòu)談起

工程材料科學(xué)家最關(guān)心材料的服役壽命，也就是材料的韌性。即使強(qiáng)度再高，但經(jīng)不住瞬時(shí)沖擊或者長時(shí)間的環(huán)境條件侵蝕，是不能作為工程材料使用的。

人們發(fā)現(xiàn)自身的骨骼便具有驚人的斷裂韌性。我們每天走路、奔跑、跳躍，不斷地給骨骼施加強(qiáng)大的沖擊力，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來說強(qiáng)度和負(fù)荷更加大。為何骨骼具有如此優(yōu)異的抗沖擊性能？其實(shí)，大多數(shù)動(dòng)物骨骼的內(nèi)部都是由高度有序的有機(jī)和無機(jī)材料組裝起來的精細(xì)結(jié)構(gòu)，通過有機(jī)和無機(jī)材料的協(xié)同作用，骨骼可以快速有效地將外部沖擊能量吸收并釋放掉。

更深入地解析人骨的微觀結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)現(xiàn)最底層的組織結(jié)構(gòu)單元是長為15微米直徑為60納米的膠原纖維，這個(gè)有機(jī)體中鑲嵌著長為幾十納米寬僅為3個(gè)納米的羥基磷灰石晶體；將顯微鏡倍數(shù)縮小，可以看到這些礦化的膠原纖維在微米尺度上組裝成厚為幾個(gè)微米的層狀結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步縮小放大倍數(shù)，原來這些微米尺度的層狀結(jié)構(gòu)都是圍繞著血管沿著骨骼的長軸方向定向排列。

加州伯克利分校的R. O. Ritchie教授最近報(bào)道了一種新穎的仿生無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料。他們利用冰在特定溫度下能自組裝成層狀結(jié)構(gòu)這一特性，先將氧化鋁燒結(jié)成了多層的陶瓷材料，每層的厚度在5個(gè)微米左右。第二步就是往層間注入一種叫做聚甲基丙烯酸乙酯的高分子聚合物，這兩種材料非常好地“黏合”在一起。從微觀上來這似乎就是常見到的三合板。通過力學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種由很脆的陶瓷和柔軟的高分子材料交替組合形成的材料，其韌性和強(qiáng)度可以和金屬鋁合金相媲美，斷裂能量吸收能力達(dá)到其組成材料的300倍以上！

從人骨這類的自然材料來看，多尺度多層次的微觀建構(gòu)才是未來材料發(fā)展的靈感之源，我們大可不必把科研的寶全壓在“納米”概念上。