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现在，科学家通过研究贝壳和蜻蜓翅膀的微结构，攻克了军事装甲的世界性难题！
中国科学院力学研究所研究员
博士生导师
宋凡
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小贝壳里有大乾坤
小贝壳的成分都是大于95%的碳酸钙晶片构成的。它是一种有序的结构，因此很难被掰断。
到现在为止，我们已经发现了5万多种贝壳，但是这5万种贝壳当中实际上只有7种微结构。在这7种微结构当中，图最下面的一种叫作珍珠母，它具有最好的力学性能。
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珍珠母的神奇生物陶瓷微结构
珍珠母，顾名思义就是珍珠它妈妈，就是生珍珠的地方。它就在贝壳的最内层，所有的珍珠就在这儿产生的。它的成分和珍珠完全一样。
这个图大家看，跟砖墙一样。它是由六角形碳酸钙的小板一块一块地堆积而成，中间是5%的有机基质，它叫做砖墙式结构。正是因为这种结构，它导致了材料的性能有多好？
我告诉大家两个标准：第一，珍珠母的断裂功是形成它的碳酸钙晶片断裂功的倍；第二个指标，它产生的变形是它本身晶片产生变形的10倍以上。
珍珠母实际上是一种陶瓷材料，我们叫它生物陶瓷。当前世界陶瓷材料最大的目标是什么？就是克服它的脆性，增加它的韧性。这是世界陶瓷研究的最根本的问题。
另外大家从表上也可以看到，珍珠母的综合指标是最好的。
年的时候，美国一组科学家发现：原来珍珠母它是通过三个特征来达到它的韧性的。
第一个，它要断的时候，一块块的晶片要这么拔出来，在这个拔的过程当中，消耗了大量的能量。第二个，在它断裂过程当中裂纹穿透，它不是像一般的裂纹，唰！就开裂了，而它是拐来拐去地这么拐，这个也耗费了大量的能量。第三个，就是它在拐来拐去的这个过程当中，它有有机基质做桥连，有机基质把这个裂纹拉着了。这三个机制导致了珍珠母的韧性这么好。
那好，我们明白了它的情况过后，材料学家就开始自己制作珍珠母，制作层状材料啦。材料的韧性大概现在能做到才50倍左右。也不错了，但是离倍的还差得远呢！
3
珍珠母超强韧性的小秘密
是不是会有另外一种微结构？不光是砖墙式结构，还有另外的微结构呢？
年，加州理工大学的一组科学家，他们研究珍珠母的有机基质，就是（图）中层间那个红的有机基质，发现在有机基质里面存在大量的孔洞。但是这个孔里面是什么？说不清楚。然后根据孔洞的形貌，他们提出了一个假设：就是说这个孔洞里面是一种矿物桥。这种矿物桥，它穿过有机基质把上下的层片连接在一起了，就像这样。
但是他们没有看到孔洞。紧接着世界上大概我知道的是六个小组，都在做这件事情，要找出矿物桥，都没有找到。年，我们通过一系列的实验，发现了矿物桥。这一张照片，就是全世界第一张矿物桥照片。
这里面呢我要讲一个小故事。因为我们是用透射电子显微镜看这个结构。就是大概是在万倍的情况下看这个结构的时候，存在一个什么问题呢？珍珠母做厚了，透射显微电子穿不过去，就得不到图像。做薄了呢？当电子束打到这个材料上，一下就崩溃了。
我们在这个做薄的材料上，喷上了钛的金属，把钛融化了喷上去，这样就加固了这种薄试样，于是电子束就能透过去了。这样我们这个实验才算是做成了。
我们发现，矿物桥确实可以极大地提高这种层状材料的力学性能。我们还在实验中发现，矿物桥还可以阻挡裂纹的扩展。我们做出来的层状材料的韧性不能和珍珠母相比，就是因为矿物桥造成的。有了矿物桥，增加陶瓷材料韧性的难题也就解决了。
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意外收获！
我们在做这个实验的时候，还意外地发现了一件很有趣的事情，就是在珍珠母的变形过程当中，它存在负泊松比效应。什么叫负泊松比效应？看看这幅图，一根棍子，我在拉的过程当中，中间会变细，这个叫作泊松比效应。
当我拉的时候中间变粗，这就叫作负泊松比效应。珍珠母在变形的某一阶段它就存在这样一种效应，而这种效应就导致了珍珠母在外力的作用下它可以体积吸收功率11倍，而降低它的变形功到40%。这样珍珠母可以有更大的韧性和更大的变形能力。
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矿物桥结构制造难题还未攻克！
在所有的工程材料当中，大家都希望做出珍珠母来。做一个这个矿物桥一定能发到《SCIENSE》上，但是到目前为止，工业上没有任何一个人做出来。这也是一个遗憾。
现在我们人类的合成技术，比如说陶瓷，高温高压都需要大量的耗能，但是你再耗能，怎么也合成不出矿物桥这样的微结构。只有生物才做成了矿物桥这种结构。可以说是目前合成陶瓷界一个世界性的难题。
6
煮鸡蛋遇到的问题，飞机也能遇到！
我刚才讲了陶瓷的有关于韧性的问题。我下面再讲一个陶瓷的难题，叫作热震。
热震是什么？我先给大家一个基本的概念，比如说航天飞机，（图）这个是近空间飞行器，这是美国的X37B。大家都知道这些飞机要飞到外太空去的，然后从外太空再回到地球上来。回到地球上来的时候，因为它的速度很高，都是十个马赫左右，进来过后它会和大气层摩擦产生热，它能够产生到大概℃到℃的高温。这样它就把表面这些东西全部烧蚀了。烧蚀就会造成什么问题呢？有可能导致材料的破坏，甚至飞机的瓦解，这就是热震。而热震是陶瓷材料的一种特性，别的金属材料没有这个特性。
热震是什么，说白了就是煮鸡蛋的时候，把它煮熟了拿起来丢到凉水里面，啪！鸡蛋壳炸了，这就是热震。
那么热震的本质是什么呢？就是当加载的速度很快，超过一个温差的时候，它的强度一下就降下来了。比如像这几幅图，℃嘣一下降到℃，它当然就炸了。那么它的结果是什么呢？就是产生了裂纹。
热震是陶瓷材料的特征，是它的本性。那我们怎么把这种热震克服掉？
我们煮鸡蛋，通过这段空气，它是并没有发生热震。对吧？而只是掉到水里面才发生热震。那么也就是说作为介质，空气是一个介质，水是一个介质，这两个介质之间一定存在着某种东西让鸡蛋不会发生热震。那是什么？那就是我们称为表面热阻，就是说空气的表面热阻。实际上比水里面的，表面热阻大得多。
那好了，我要克服热震，就想到：如果我把陶瓷表面附上一层空气，让空气粘到这上面，那它是不是就不热震了呢？
7
蜻蜓翅膀的秘密
那我们就开始向自然学习。实际上这种结构是有的，你们所想到的，其实自然界都有，只不过是你没有发现它是有的。
我们先说植物。大家知道荷叶有一种效应，叫作疏水效应。
那我们再看看荷叶面上的蜻蜓。其实蜻蜓它也是疏水的。下雨的时候所有的动物，有几个在外面？只有蜻蜓可以在雨中飞翔，为什么？它也是超疏水。
水接触角越大，表示它的疏水性越好。荷叶可以达到°的疏水角，它是一种超疏水的。
蜻蜓的结构和荷叶稍有不同，它是一种随机的结构。而这种随机的结构，它的疏水效应更好，它水接触角可以达到°。
那好了，我们找到了这种生物就该仿生了。我们就在材料表面——陶瓷表面，原来大概是70°的疏水角。我们就做仿生，做出了像刚才蜻蜓表面一样的，这个表面水接触角能够达到°。
当然和蜻蜓的表面那是没法比，它是天然的，我们要向它学习，我们一直要向它学习。不管怎么说，它是一种超疏水结构。有这种表面的陶瓷，再也不会发生热震了。上升了几千度，它也不会发生热震了。而其机理在于什么呢？就是在于我们在它的表面通过这个仿生的方法，附着了空气。这种空气导致我们提高了表面热阻倍。
通过这个例子，可以看到，我们人类仿生，并不是机械的去形式上的做仿生。我们人类是有智慧的，我们人类是可以通过我们的智慧提升生物的这种结构功能。原来是做疏水的，我可以提升来防热。
大自然的生物，它经历了亿万年的进化，获得了与其生存相适应的状态和功能，这些都值得我们人类怀着崇敬的心理去学习它。
来源：CC讲坛
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