師法自然，改造金屬

呂之品

硬和韌，這兩種屬性一般是不可兼得的。但自然界的許多生物都善于制造硬而韌的材料，這個秘密配方如今被我們發(fā)現(xiàn)了。

你見過雀尾螳螂蝦嗎？這是一種色彩鮮艷的海洋動物。它的身子像螳螂;腿多得像雜草;那五彩斑斕的尾巴，則像開屏的孔雀。乍一見，你以為它是從卡通漫畫里走出來的，煞是可愛。但你要小心，它有一件秘密武器。當(dāng)它受到驚嚇時，會揮舞一雙鼓槌似的短臂（最前端鼓起一個像拳頭似的小包）向前猛擊。它的“老拳”出擊得那么快，那么重，以至于所過之處，水因摩擦而汽化，產(chǎn)生一連串的小氣泡，而力量之大足以打碎水缸的玻璃——所以，雀尾螳螂蝦必須養(yǎng)在用防彈玻璃做的水缸里。

這個小家伙很了不起吧？其實雀尾螳螂蝦在整個自然界中不是孤例。許多植物和動物都已經(jīng)進(jìn)化出這樣那樣的秘密武器，它們手頭沒有任何機(jī)械設(shè)備，但制造的東西卻可以與我們殫精竭慮設(shè)計的產(chǎn)品相媲美。并且這些秘密的武器并不是由什么特殊材料制造的，制造它們的“采購單”上所列的材料都是些微不足道的東西——礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、糖等。這些材料，我們的骨頭或牙齒里都有。

它們的手藝正是我們熱切想模仿的?？茖W(xué)家們打算深入研究它們是如何制造這些武器的，以便重新設(shè)計構(gòu)成我們這個世界的最重要的一種材料——金屬。

大自然如何實現(xiàn)硬和韌兼得？

在大多數(shù)天然材料中，硬和韌這兩種屬性就像魚和熊掌一樣不可兼得。石頭是硬的，卻不韌;木頭是韌的，但又不硬。不過許多金屬，尤其是常見的鐵和銅，就兼具硬和韌的特點，所以它們在生活中用途很廣。

但是，隨著我們對材料要求的提高，你發(fā)現(xiàn)它們同樣有一個致命的弱點：你想讓金屬的硬度增強(qiáng)，就不得不犧牲它的韌性;反之亦然。但許多生物卻成功地解決了這個問題。

生物沒有利用金屬的本領(lǐng)，它們選用的是生物質(zhì)材料。生物質(zhì)材料通常由兩部分組成：硬度由生物質(zhì)礦物（如碳酸鈣或二氧化硅）來提供;韌性由柔軟的有機(jī)聚合物（如蛋白質(zhì)鏈或糖）提供;兩者混在一起，結(jié)果是“整體大于部分之和”——硬的更硬，韌的更韌。

以雀尾螳螂蝦的拳頭為例。就其骨骼的組分而言，跟人的骨骼大同小異。其表面是一層薄而硬的磷酸鈣涂層，內(nèi)里則是一層層的纖維狀糖分子層，每一層之間又嵌入磷酸鈣，以增強(qiáng)其硬度。只是比起人來，螳螂蝦嵌入的磷酸鈣更多，纖維狀糖分子層也更柔軟而已。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)把硬度和韌性很好地結(jié)合起來。

但另一種構(gòu)造則是我們所沒有的：假如你把螳螂蝦的拳頭縱向剖開，一層一層往里看，你會發(fā)現(xiàn)每一層都表現(xiàn)出變化。越往里，磷酸鈣晶體顆粒越細(xì)小，排列整齊的纖維狀糖分子層也變薄了;表現(xiàn)在性能上，是硬度降低。并且，每一層纖維狀糖分子的排列方向，與上下層是互相錯開的。這樣排列的好處是，即便某一層出現(xiàn)了裂縫，裂縫也不容易順勢延伸到別的層上去。這與我們制造的膠合板一樣，無論五合板還是七合板，各層纖維都是互相垂直的。但我們制造的膠合板韌性有余，硬度不夠。

大自然“作坊”里的秘笈

——梯度

這種由表及里的逐漸變化，借用化學(xué)上的術(shù)語，叫梯度。在自然界，梯度無處不在。比如，氣壓從高到低的逐漸變化，濃度從低到高的逐漸變化，都是梯度的例子。螳螂蝦的拳頭由表及里，磷酸鈣晶體顆粒由粗到細(xì)，糖分子層由厚到薄，其性能由硬到軟，這些變化也是梯度的例子。

梯度正是大自然“作坊”里的秘笈。梯度的表現(xiàn)各式各樣。例如，由內(nèi)及外，一根竹子的纖維素含量會越來越多，這種梯度確保它不易折斷。由膠原蛋白組成的魚鱗也有它的梯度。魚鱗的外層礦物質(zhì)含量更高（因為要抵御大魚的撕咬，需要更高的硬度）;里層貼近皮肉，硬度則降低了，變得更柔韌。還有從蛤、蚶、扇貝等動物身上伸出的足絲，一端連著堅硬的巖石，另一端連著軟乎乎的肉。它也有一個巨大的梯度——對著巖石的一端堅硬，而與肉相連的一端則更富有韌性，其硬度只及另一端的1/10。甚至我們自己的牙齒，從里面的牙本質(zhì)過渡到最外層的牙釉質(zhì)，也有一個梯度變化。

大自然似乎必須玩這些游戲，因為它能利用的盡是些膠原蛋白、甲殼素和礦物質(zhì)之類的平凡東西，不像人類，可以根據(jù)需要發(fā)明出各種新型材料。既然材料平凡，它只能通過玩花樣，化平凡為神奇。從表及里制造一種梯度，正是它最常用的手段。

師法自然，改造金屬

人類剛剛開始掌握同樣的能力。早在2011年，我國材料科學(xué)家盧柯和他的同事就在金屬銅里制造了一個梯度結(jié)構(gòu)：其表面是具有納米尺寸的晶粒（金屬在電子顯微鏡下看，都是由晶粒組成的），越往里面，晶粒的尺寸越大。他們是通過保持銅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變，反復(fù)研磨其表面，使外層晶粒分裂成更小的晶粒來實現(xiàn)這一點的。這種金屬的外層，就像牙齒表面的牙釉質(zhì)一樣，使銅的強(qiáng)度提高了一倍，同時又沒有降低其韌性。

美國加州大學(xué)的羅伯特·里奇則把注意力轉(zhuǎn)向由鐵、碳和其他元素組成的合金——鋼鐵。像盧柯通過打磨來人為制造梯度那樣，他用幾百個小鋼球不停敲打鋼鐵表面，來人為制造梯度。這么做，除了在金屬晶粒尺寸上產(chǎn)生梯度變化外，也使一些晶粒由軟的變?yōu)檩^硬的。這種結(jié)構(gòu)提高了鋼的硬度，又沒有犧牲其延展性。

所有這些成功目前還局限于實驗室，要想工業(yè)生產(chǎn)，還是一大挑戰(zhàn)。 模仿自然的問題之一是，自然界是從原子或分子入手，來制造一個內(nèi)部具有梯度變化的結(jié)構(gòu)的。而人類走了另一條路——我們先拿來一大塊金屬，然后試著改變它內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，來人為地制造一個梯度。

解決方案可能是新興的3D打印技術(shù)，它可以讓我們一層一層地建造材料。但目前的問題是，3D打印在制作正確的形狀上問題不大，可是要制造出一種特定的屬性（如硬韌兼具的屬性），卻不容易。里奇認(rèn)為，這至少需要10年左右的時間才能改進(jìn)。

在可塑性不變的情況下，提高硬度，改進(jìn)后的金屬可以做很多事情。比如，鋼鐵是目前世界上需求量最大的金屬，如果硬度提高，可以節(jié)省很多鋼材，屆時飛機(jī)、汽車、火車和輪船都可以減輕重量，節(jié)省成本和燃料，減少二氧化碳的排放，橋梁也可以“瘦身”。其他改進(jìn)的金屬還可以幫助制造更輕的髖關(guān)節(jié)置換物、仿生手、機(jī)器人、管道、混凝土鋼筋，等等。

小貼士

足絲

足絲是貝殼類動物從足絲孔伸出的纖維束，借此將身體固著于巖石或其他的動物上。

足絲有極強(qiáng)的韌性，幾乎像強(qiáng)力膠一樣，不會被海水腐蝕或變形。其主要成分是一種叫“殼基質(zhì)”的硬蛋白。這一性質(zhì)激勵基因工程師們在酵母菌細(xì)胞中嵌入貽貝的基因，來制造強(qiáng)韌的蛋白。