仿生材料的工業應用首秀:海洋生物的強韌奧秘讓「超級鋼」誕生

2021-01-14 科研圈
海洋中軟甲生物的強韌遠超想像，小蝦的出拳加速度竟能超過 F1 賽車，衝擊力可想而知。科學家用了 6 年的時間，終於發現這種天生強韌背後的秘密，並將貝殼類生物的相應結構通過仿生手段應用於工業材料的不鏽鋼中，提高了材料的機械韌性。華人科學家首次在世界範圍內提出「超納仿生多級鋼（Bio-inspired Hierarchical Steels）」概念，根據生物物理現象成功仿生設計出了多級高強高紉超納鋼材料（Supra-Nano Hierarchical Steels）。


撰文 曹珊

編輯 徐文慧


雀尾螳螂蝦（學名：Odontodactylusscyllarus）作為一種軟甲動物，外表顏色鮮豔好似孔雀，看起來並不具有威脅性。但在捕食獵物時，它的「彈簧鐵拳」（掠肢，第二對顎足）彈射速度可以超過80 km/h，衝擊力可以擊碎水族館的厚玻璃！


雀尾螳螂蝦

圖片來源：Jens Petersen


海洋生物天生強韌的奧秘，除了給能生物本身帶來美味的食物，還能為人類創造驚喜。


你很難想像，被廣泛應用的金屬材料——不鏽鋼，添加上大自然的智慧，竟然會有令人意想不到的效果。來自加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）的青年華人女科學家曹珊博士和她的博士後導師 Robert O. Ritchie 院士，以及香港城市大學呂堅院士，對海洋貝殼類生物的足絲（Byssus）進行了深入研究，通過仿生手段將這種生物的材料結構實現在了不鏽鋼材料中，使其機械性能得以提高。研究成果於 5 月 23 日發表在 Scientific Reports 上。


Ritchie 院士、呂堅院士和曹珊博士（從左至右）


研究者們成功研製出了交錯雙相超級納米多級結構（alternative dual-phase hierarchical steels），並從實驗及理論角度證明了該結構對於材料宏觀力學性能的唯一性和獨特性的貢獻。這一仿生應用，能夠在更複雜的環境中提高材料的抗斷裂性能和使用壽命。受到學界、工業界和媒體的廣泛關注和認可。


模仿海洋生物來製備超強鋼的想法來自曹珊博士與其導師Ritchie教授、呂堅教授和麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的華人科學家道明博士以及維吉尼亞大學（University of Virginia）李靈教授的頻繁討論。


整個想法的靈感來自 2011 年 Ritchie 教授發表在 Nature Material 上的名為「The conflicts between strength and toughness」的論文。在該論文中，Ritchie 教授介紹了數種不同的天然材料，這些材料具有「與生俱來」的高強韌特性。其中一種生物材料是珍珠質（nacre，由貝殼硬蛋白粘合在一起的文石和方解石混合物）。


通過深入研究珍珠質材料，曹珊博士和李靈博士發現與珍珠質連接的足絲（以殼基質為主要成分的硬蛋白強韌性纖維束）十分特別，它能將珍珠質層固定在巖石上，以保護它免受海浪的衝刷。


貽貝通過足絲附著在巖石上

圖片來源：Brocken Inaglory


為了實現這種功能，這種足絲材料必須非常牢固，即使每天經歷數百次的海水的「攻擊」也不會受損。這種材料經過數千年的洗禮，在大自然中不斷進化，擁有很高的強度和韌性。這就是為什麼曹珊博士等科學家決定將足絲「複製」到他們的鋼材上，通過呂堅教授發明的表面機械研磨處理（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）技術，他們完美的實現了精確的結構控制。


結果出乎意料地令人滿意：這種被稱為「生物啟發多級鋼」（Bio-inspired Hierarchical Steels）的材料在機械性能上具有非凡的優勢。從結構上來講，這種材料具有交錯雙相超級納米多級結構，與大自然中的多級材料不謀而合，從某種程度上這是首次證明了仿生材料工業應用的可靠性；同時，這種特殊結構對於材料宏觀力學性能的唯一性和獨特性的貢獻，為科學家們後續研究仿生結構材料奠定了基礎。


仿生多級鋼設計概念示意圖


研究成果被著名科研網站 ResearchGate 評為「最多閱讀獎」（Most Read Award），同時也受到國外專家的廣泛關注和讚譽，被豐橋技術科學大學（Toyohashi University of Technology）的校長、日本著名科學家小林俊郎教授（Toshiro Kobayashi）評價為「令人印象深刻的創新而有趣的科學工作」；Ritchie 院士和曹珊博士也受到了美國著名媒體 NewScientist 的特別採訪。


這種仿生多級鋼的應用也是多種多樣的：在生物醫療設備中，因其高強高紉抗斷裂、抗疲勞腐蝕以及使用壽命長的特性，這種海洋生物啟發的納米材料可作為心臟搭橋植入手術的支架（Heart stent）材料，能夠大幅降低醫療成本、改善患者體驗；在工業生產中，還可以用在航空飛機發動機和核燃料棒材料中等。研究者們相信這種仿生多級鋼將成為開發新功能結構材料的先驅。



論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41598-018-23358-7


NewScientist 報導：

https://www.newscientist.com/article/mg23931970-100-hacking-natures-coolest-inventions-to-create-the-perfect-metal/



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