這種“瘋狂”結構讓海星靈活又堅固

■記者 李晨陽

登上最新一期《科學》封面的是一隻饅頭海星的骨骼區域性圖。在掃描電子顯微鏡下，其上密佈著鱗次櫛比的小方解石晶體。

這篇2月11日發表於《科學》的論文，介紹了科學家首次在自然界中發現的這種神奇結構，它在原子和微米雙尺度上都呈現單晶結構。以人類現有技術，還無法複製出這種材料。

“海星骨骼是由多孔碳酸鈣材料組成的，這種材料的化學成分與粉筆一樣非常易碎。但我們看到的海星既靈活又強韌。這是一種純天然、具有良好效能的多孔輕質陶瓷材料。”論文通訊作者、美國弗吉尼亞理工大學機械工程系助理教授李靈對《中國科學報》說。

“瘋狂”的海星

輕盈、堅固的材料對汽車和航空航天製造等行業來說是理想的材料。

在弗吉尼亞理工大學生物和仿生材料實驗室，李靈團隊正在研究天然輕質陶瓷結構。他們發現，相比人類的創意，大自然的設計總是更加瘋狂。

以饅頭海星這一印度—太平洋地區的常見物種為例，其骨骼由不計其數的、直徑只有幾毫米的“小骨”組成。這些小骨與軟組織相連，使饅頭海星能夠靈活運動。與此同時，每個小骨又由細密緊緻的微晶格構成。這種分枝狀結構有點像迷你的埃菲爾鐵塔，精巧、有序、繁複。

這個“藝術品”非常輕巧，其主要組成成分碳酸鈣的密度只有2。7g/cm3。再加上它的整個結構有一半是規則排列的孔洞，總體平均密度和水（1g/cm3）差不多。

碳酸鈣是一種隨處可見而且不被重視的材料。輕輕一掰就碎的粉筆，就是由碳酸鈣結晶方解石構成的。但一種物質在不同結構下，效能也會極為不同。

“海星的骨骼就像用一整塊方解石單晶雕刻出來的週期性晶格。這種近乎完美的雙尺度微晶格結構此前從未被報道過。”李靈說。

這種結構讓海星可以在特定方向上強化骨骼，既靈活又堅固。更神奇的是，在微晶格斷裂時，該結構還能阻止裂紋進一步發展。

研究人員還注意到它的另一個性能：吸能。這個概念常常出現在汽車上，是指在激烈碰撞中，材料本身的破碎能吸收掉一部分動能，以保護車裡的乘客。經測算，海星骨骼材料的吸能指標比現在常用的泡沫陶瓷高出許多。

然而，“很遺憾，人類現有技術還不足以複製這種材料”。李靈說。

李靈團隊用3D列印技術製作了一個立方體模型，能讓人們從視覺上了解這種材料的內部結構，但這只是塑膠而不是單晶的。如果要製成陶瓷產品，可能會引入許多無法控制的微小氣孔和裂紋。

李靈希望，技術的進步和深入的研究最終能提供一個理想的解決方案，讓這一大自然的絕妙設計走進產業，造福人類。

從“海鮮”中尋寶

李靈實驗室是一個擅長從“海鮮”中尋寶的團隊。他們的研究目標有海膽、魚、貝類、墨魚、龍蝦，等等。

美國南方沿海各州的水產品公司，有時會專門向實驗室出售海洋生物樣品。

李靈還清楚記得，這項關於海星的工作始於一次電鏡觀察實驗。那天他帶著一名博士生用掃描電子顯微鏡觀察不同種類海洋生物生成的多孔材料，結果發現了饅頭海星的奇特結構。

“海星是一種長得很規整的小動物，而饅頭海星比其他海星長得更規整。”李靈說。

他立刻想到，之前的研究顯示海星骨骼在原子尺度上是單晶結構的，而饅頭海星的骨骼似乎在微米尺度上也呈現單晶結構。如果真的是雙尺度上的單晶結構，那就是在自然界和人工製品中均未報道過的神奇結構，也是非常具有潛力和啟發意義的結構。

饅頭海星沒有辜負李靈的期望。

“大海是一座非常豐富的寶庫。但如果我們前期沒有很好的積累，就無法從眾多海洋生物中發現饅頭海星的與眾不同。”李靈說，“科研工作者需要有這種積澱和敏感度。”

除了饅頭海星外，這個研究團隊揭秘了能抵抗深海高壓的墨魚骨骼、為咬開貝殼而生的黑鼓魚牙齒、具有多種功能的海綿骨骼、學術界的“明星”海膽刺……他們還發現某些貝類生物具有可成像的礦物質眼睛。

“海星等海洋動物向我們揭示了一個材料創新的世界，這對它們在掠食者橫行的海底世界生存至關重要。”未參與該研究的弗吉尼亞理工大學地球科學系教授Patricia Dove說，“研究這些結構的潛在機械工程效能，對前沿新材料的設計有潛在意義。”

“這是一張很美的圖片”

李靈認為，這篇論文之所以能登上《科學》封面，是因為“這是一張很美的圖片”。

“它可以讓你領略到大自然奇妙的對稱美。首先你能看到背景中具有光滑表面的微晶格結構。它像是一種極其規整的格子。然後你可以看到在後期實驗過程中生長出的碳酸鈣小晶體，它們也都排列得非常整齊，有著一致的方向和高度的對稱性。正是這種複雜卻極具秩序的結構，讓原本脆弱的材料變得更加輕盈、強勁，並且對機械損傷有了很高的耐受度。”

至於圖片的藍紫色調，則是李靈“隨便調出來的”。

包括李靈在內，這篇論文的大多數作者都是中國人。楊婷、陳洪順、賈子安、鄧志飛、陳柳霓等中國研究生都作出了貢獻。

在李靈看來，這是一群聰明勤奮而且極具個性的年輕人，他很享受跟他們一起開展研究。他同時也想盡一份力，引導他們在科學研究的道路上走得更遠、更穩。

李靈期待未來能帶領這個充滿青春活力的團隊，師法自然，拓展人類的技術邊界，研發出更輕、更強、更激動人心的新型材料。