結(jié)構(gòu)：人造盔甲

謝雨桐/編譯

結(jié)構(gòu)：人造盔甲

謝雨桐/編譯

研究者們正在借鑒犰狳外殼和珍珠母來創(chuàng)造人類骨骼的替代品，并研制一種新的防護(hù)服

你會放心讓一種由果凍和粉筆制成的骨骼來支撐你身體，讓你靈活運轉(zhuǎn)嗎？其中的羥磷灰石是一種無機(jī)礦物質(zhì)——白色易碎的，鈣基白堊物質(zhì)。而膠原，是骨骼中含碳的有機(jī)物質(zhì)，“它和膠質(zhì)很相近?！眮碜蕴K黎世瑞士聯(lián)邦科技所的物質(zhì)科學(xué)家安德烈·斯圖達(dá)特（André Studart）說道。

就是從這些脆弱的生物中，大自然產(chǎn)生出了強(qiáng)壯靈活，能夠自我修復(fù)的結(jié)構(gòu)?；罴?xì)胞幫助這種裝納血液器官并支撐整個人體的復(fù)雜堅硬結(jié)構(gòu)的生長?？茖W(xué)家們花費了多年時間試圖更好地理解這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及它是如何工作的。骨骼也并不是唯一值得調(diào)查的自然物質(zhì)。珍珠母，又稱作蚌殼，是非常具有抗斷性的。牙齒中的牙質(zhì)與骨骼類似，很大部分是由含鈣礦物、水和釉層底下結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物構(gòu)成，能夠堅硬到咬開牛排或裂開堅果。在魚和犰狳身上的硬殼是一種典型的靈活的防水防穿孔的物質(zhì)。另外，2015年2月的一份研究報告指出，帽貝的牙齒，生而具有和礦物質(zhì)交織在一起的納米尺寸的纖維，這估計是大自然所創(chuàng)造的出的最堅韌的物質(zhì)。

如果科學(xué)家們能探索出構(gòu)成以上這些物質(zhì)的內(nèi)在奧秘，人們也許就能夠用大量廉價的材料制作出自我修復(fù)的超硬物質(zhì)，或是造出替代人體器官的生物移植物。人類也就當(dāng)然不被只存在于生物體中的物質(zhì)所限制?；蛟S，大自然創(chuàng)造出的已經(jīng)存在百萬年的完美物質(zhì)可以應(yīng)用到石墨、芳輪纖維、鈦或是玻璃中來創(chuàng)造出更高級的材料。

研究者在重新制造數(shù)千年里進(jìn)化演變的物質(zhì)方面已經(jīng)取得了穩(wěn)定進(jìn)步。盡管完整的人造骨骼仍是遙不可及的夢想，但人們現(xiàn)在已經(jīng)有可能做出人造蚌殼。通過研究骨骼人們發(fā)明出了抗震玻璃。物質(zhì)科學(xué)家們正在和軍方合作，模仿魚類自我保護(hù)的原理來制造盔甲。但是自然進(jìn)化中有一樣?xùn)|西是人類缺乏的，也就是倫敦帝國理工學(xué)院科學(xué)家愛德華多·塞茲（Eduardo Saiz）所說，“大自然不會像人類一樣受到時間限制?！?/p>

蚌殼的微觀結(jié)構(gòu)激勵著科學(xué)家們探索廉價且堅硬的材料

奇聞異事

第一個挑戰(zhàn)就是了解這些物質(zhì)是如何構(gòu)造的。骨骼、蚌殼還有其他堅硬的自然物質(zhì)，它們的原子、分子和納米級的結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，反過來又影響它們微米級的結(jié)構(gòu)，一直層層向上影響到脛骨或者是左臼齒。要弄清楚每層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性需要使用大量最先進(jìn)的技術(shù)，包括原子力顯微鏡技術(shù)、X射線分析，以及用X線斷層攝影術(shù)一片一片地觀察物質(zhì)，來自劍橋麻省理工學(xué)院的物質(zhì)研究學(xué)家克莉絲汀·奧爾蒂斯（Christine Ortiz）說道。她希望從這些大自然的物質(zhì)中汲取經(jīng)驗，但前提是了解它們每一層的物理結(jié)構(gòu)。

在骨骼中，這種結(jié)構(gòu)層級是很好理解的。它由長長的膠原分子開始：三條線纏繞成納米長的螺旋線，合起來形成一毫米厚的小纖維。這些小纖維繞在一起，形成大約10倍厚的細(xì)絲，中間留出恰好足夠的空間給羥磷灰石來增強(qiáng)其堅韌性。細(xì)絲們又組成一種平整的，像金屬薄片的結(jié)構(gòu)，然后卷起來形成名為骨單位的管道，以供血管在骨頭內(nèi)部延伸。許許多多的骨單位共同組成了一整塊骨頭。

細(xì)胞能夠改變膠原纖維周圍的化學(xué)物質(zhì)來組成一種結(jié)構(gòu)，或是產(chǎn)生一種礦化作用，這種能力處處存在。斯圖達(dá)特的目標(biāo)就是模仿這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但理想離現(xiàn)實還很遙遠(yuǎn)?！拔覀冞h(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到大自然造物的水平，”他說，“我們還沒有深入了解這種細(xì)胞究竟是做什么的?！?/p>

不過，科學(xué)家們正在嘗試學(xué)習(xí)這種結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，并創(chuàng)造出我們獨有的超級物質(zhì)。比如說，斯圖達(dá)特正在尋找其他的方式來了解骨骼中最原始的物質(zhì)構(gòu)造?！拔也捎霉こ虒W(xué)的方法，也就是本例中的磁學(xué)方法?！彼退膱F(tuán)隊把少量的強(qiáng)磁性的納米級顆粒添加到由微小薄片和鋁棒、聚氨酯以及其他多種富有彈性的聚合物形成的合成材料中，使它們懸浮在溶劑中。一種脆弱的磁場發(fā)生作用導(dǎo)致磁性納米粒子沿一個特定的方向拖拽纖維，形成一種很像骨骼中膠原纖維的有序結(jié)構(gòu)。一旦這些薄片和棒狀物就位，就可以通過蒸發(fā)溶劑使它們定格。斯圖達(dá)特用這種方法研制出了堅硬有耐性，并且變形后有復(fù)原能力的復(fù)合材料。

但是通過排列分子來形成穩(wěn)定性的材料只是自然界中的一件小事情。自然界中另外一個規(guī)律是同一些物質(zhì)會形成不同物理性能的材料。試想一下黏附在骨頭上的肌腱：開始時的物質(zhì)是相同的，尤其是其中的膠原，然后不同的數(shù)目結(jié)合成不同的結(jié)構(gòu)，最后在同一個關(guān)節(jié)中具有相反的功能。在骨頭一端，它們是強(qiáng)硬的；在肌腱一端，它們沒有那么鈣化，形成了柔軟靈活的組織。斯圖達(dá)特正在實驗室中研究如何造出具有成分梯度的物質(zhì)，他做出了一種在5個數(shù)量層級上都具有不同彈性的物質(zhì)。相對于天然的骨腱結(jié)合只是在兩個數(shù)量層級上具有不同彈性，這是一種巨大的飛躍。在大自然中，物理性能的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于羥磷灰石強(qiáng)化膠原纖維的程度。類似的，斯圖達(dá)特利用不同大小的氧化鋁分子或是合成黏土來強(qiáng)化聚氨酯，從而得到不同程度的彈性。

要想用人造材料取代傷痛的脊椎或肌腱還需努力。塞茲說：“探尋骨骼或蚌殼的機(jī)理并不是一蹴而就的事情?！彼诖?D打印機(jī)的出現(xiàn)，因為它能夠把一大堆材料的結(jié)構(gòu)顯示出來。不過他說目前的打印機(jī)還不能顯示出納米級的結(jié)構(gòu)。

細(xì)節(jié)決定成敗

骨頭、蚌殼以及牙齒的納米級結(jié)構(gòu)中都含有片狀的礦物碎片，這些碎片就像墻上的磚頭一樣排列。事實上，骨細(xì)胞中有一種專門的蛋白質(zhì)來使礦物分子們排成墻體磚頭的形狀——這個過程叫做生物礦化。“這種自底向上的建造方式在實驗室中是很難還原的，”來自加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學(xué)材料工程師弗朗索瓦·貝特洛（Francois Barthelat）說道，“因為納米大小的磚形物操作起來很困難，而且在規(guī)模如此小的情況下，物質(zhì)表面力的性質(zhì)會失之毫厘，差之千里?！?/p>

包括塞茲在內(nèi)的一些物質(zhì)科學(xué)家說，要想制造出一種仿造骨頭的合成物，就有必要還原其每個層級的結(jié)構(gòu)，包括納米層的、微觀的、宏觀的部分。但是也有其他人認(rèn)為可以跳過最微小一層的結(jié)構(gòu)。比如貝特洛就說，“我們不需要探究到納米層才能得到物質(zhì)的性質(zhì)。”不同于把納米小的磚形物堆成墻的方法，貝特洛從另一個角度研究這個問題。他的團(tuán)隊把類似于骨頭中3D磚墻的物質(zhì)嵌進(jìn)玻璃，但是那些磚塊是200微米寬，而非納米大。他們用激光穿進(jìn)玻璃探測其表面和內(nèi)部。即使是以微米大的形式，這個試驗也產(chǎn)生了影響。貝特洛說仿生技術(shù)完全改變了物體的性質(zhì)。改造后的玻璃硬度是原有玻璃的200倍，而且可以改變形狀。貝特洛說原因在于，嵌入玻璃中的形狀就像擴(kuò)展的裂紋一樣給了破壞性能量一個渠道，并使這種能量不受削弱地抽離出物體本身。他希望用這種方法做出的人造材料，如玻璃或陶瓷，能更加堅硬耐用，甚至比大自然中的物質(zhì)更好。

水外之魚

要想充分利用這些超硬的天然物質(zhì)意味著不僅要模仿它們的形狀，還要弄懂其功能。以魚鱗為例，它為魚類收縮、蹦跳或者扭動提供了堅硬的外殼。魚鱗能為如此不平的魚身提供良好保護(hù)的能力吸引了奧爾蒂斯，她正在調(diào)查這種天然防護(hù)性外表的結(jié)構(gòu)是如何同其功能聯(lián)系起來的，并借此為人類研制防護(hù)服。

她的團(tuán)隊研究了不同種類的魚鱗是如何在魚身被咬的時候提供保護(hù)的。他們發(fā)現(xiàn)魚鱗有很多層，大小不同的每一層都有獨特的變形機(jī)制、機(jī)械性能以及承重能力。他們按比例做出了放大的3D魚鱗模型；還發(fā)明了計算模型來為人體定制外衣，給脆弱的關(guān)節(jié)，如肩膀、膝蓋、胳膊肘，以及平整的身體軀干提供保護(hù)。奧爾蒂斯在研制衣服外形方面已經(jīng)有了專利，但真正可用的防護(hù)服還沒有達(dá)成現(xiàn)實，她說這個專利以及計算模型只是剛剛邁出的第一步。

迄今為止，人造的結(jié)構(gòu)性材料還達(dá)不到骨頭、魚鱗或是蚌殼那么復(fù)雜，但也許我們并不需要這種復(fù)雜程度。石墨烯——一種單原子分子組成的蜂巢狀的碳物質(zhì)，是迄今發(fā)現(xiàn)的最堅硬的物質(zhì)，一旦石墨烯的生產(chǎn)方法被掌握，用它來進(jìn)行復(fù)雜的3D排列就可以制造出比其本身堅硬和靈活數(shù)百倍的材料。將天然形成過程應(yīng)用于合成材料，制成輕盈靈敏、迅速反應(yīng)、自我修復(fù)的堅硬物質(zhì)，將是未來超級材料的趨勢。斯圖達(dá)特說，“我們應(yīng)當(dāng)超越自然?！弊铍y的一步是要先了解大自然。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]