作者 | 李晨陽(yáng)

這是最新一期的《科學(xué)》雜志封面，你能認(rèn)出是什么嗎？

它是一種在自然界中首次發(fā)現(xiàn)的神奇結(jié)構(gòu)，在原子和微米雙尺度上都呈現(xiàn)單晶結(jié)構(gòu)。以人類現(xiàn)有的技術(shù)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法復(fù)制出這種材料。

承載這一切的，是一種名為饅頭海星（Protoreaster nodosus）的海洋生物。封面圖中就是一只饅頭海星的骨骼局部，在掃描電子顯微鏡下，表面上生長(zhǎng)著鱗次櫛比的小方解石晶體。

這種神奇結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者，是美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程系的助理教授李靈及其團(tuán)隊(duì)。北京時(shí)間2月11日，他們?cè)凇犊茖W(xué)》上發(fā)表了這篇論文。

“海星的骨骼是由多孔碳酸鈣材料組成的，這種材料的化學(xué)成分與粉筆一樣，是非常易碎的。但我們看到的海星卻既靈活又強(qiáng)韌。這是一種純天然的、具有良好性能的多孔輕質(zhì)陶瓷材料?！崩铎`對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

神奇海星的顛覆性結(jié)構(gòu)

人類總是渴望更理想的材料。對(duì)汽車和航空航天造等行業(yè)來(lái)說(shuō)，輕盈、堅(jiān)固則是永恒的追求。

在弗吉尼亞理工大學(xué)的生物和仿生材料實(shí)驗(yàn)室，李靈和他的團(tuán)隊(duì)正在研究天然輕質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，相比人類的創(chuàng)意，大自然的設(shè)計(jì)總是更加瘋狂。

就拿饅頭海星來(lái)說(shuō)吧，這是印度—太平洋地區(qū)的常見物種。從外表看，它就像一只有點(diǎn)烤糊了的五角星形小甜點(diǎn)。但如果你把它的外層軟組織除去，里面那副雪白的骨骼可能會(huì)嚇到密集恐懼癥患者。

饅頭海星（左）和它的骨骼（右）

饅頭海星的骨骼由不計(jì)其數(shù)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(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，每個(gè)小骨又由細(xì)密緊致的微晶格構(gòu)成。

這種分枝狀結(jié)構(gòu)有點(diǎn)像迷你的埃菲爾鐵塔，精巧、有序、繁復(fù)，幾乎超越了數(shù)學(xué)的描述。

把這個(gè)藝術(shù)品托在手上，你會(huì)感到非常輕巧。它的成分碳酸鈣的密度只有2.7g / cm3。再加上整個(gè)結(jié)構(gòu)有一半是規(guī)則排列的孔洞，總體平均密度就和水（1 g / cm3）差不多了。

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(jié)晶方解石構(gòu)成的。但一種物質(zhì)在不同結(jié)構(gòu)下，性能也會(huì)極為不同。

“海星的骨骼就像用一整塊方解石單晶雕刻出來(lái)的周期性晶格。這種近乎完美的雙尺度微晶格結(jié)構(gòu)此前從未被報(bào)道過(guò)?！崩铎`說(shuō)。

這種結(jié)構(gòu)讓海星可以在特定方向上強(qiáng)化骨骼，既靈活又堅(jiān)固。更神奇的是，在微晶格斷裂時(shí)，還能阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。這是因?yàn)檫@種微晶格結(jié)構(gòu)中含有很多晶格缺陷，從而抑制了裂紋沿著某一個(gè)方向擴(kuò)展。

研究人員還關(guān)心它的另一個(gè)性能：吸能。這個(gè)概念常常出現(xiàn)在汽車上，就是在激烈碰撞中，材料本身的破碎能吸收掉一部分動(dòng)能，以保護(hù)車?yán)锏某丝?。?jīng)測(cè)算，海星骨骼材料的吸能指標(biāo)比現(xiàn)在常用的泡沫陶瓷高出許多。

然而，“很遺憾，人類現(xiàn)有的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以復(fù)制這種材料?！崩铎`說(shuō)。

李靈團(tuán)隊(duì)用3D打印技術(shù)制作了一個(gè)立方體模型，能讓人們從視覺上了解這種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但這只是塑料而不是單晶的。如果要制成陶瓷產(chǎn)品，可能會(huì)引入許多無(wú)法控制的微小氣孔和裂紋。

3D打印的結(jié)構(gòu)模型

李靈希望，隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及對(duì)海星骨骼等生物結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的進(jìn)一步了解，最終能提供一個(gè)理想的解決方案，讓這一大自然的絕妙設(shè)計(jì)走進(jìn)產(chǎn)業(yè)，造福人類。

李靈認(rèn)為，這篇論文之所以能登上封面，是因?yàn)椤斑@是一張很美的圖片?！?/span>

“它可以讓你領(lǐng)略到大自然奇妙的對(duì)稱美。首先你能看到背景中具有光滑表面的微晶格結(jié)構(gòu)。它像是一種極其規(guī)整的格子。同時(shí)你也可以看到這些我們?cè)诤笃趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中生長(zhǎng)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(duì)稱性。正是這種復(fù)雜卻極具秩序的結(jié)構(gòu)，讓原本脆弱的材料變得更加輕盈、更加強(qiáng)勁，并且對(duì)機(jī)械損傷有了很高的耐受度?！?/span>

至于圖片上美麗的夢(mèng)幻藍(lán)紫色調(diào)，則是他“隨便調(diào)出來(lái)的”。

大海撈“idea”的秘訣是什么？

李靈實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)擅長(zhǎng)從“海鮮”中尋寶的團(tuán)隊(duì)，他們的研究目標(biāo)有海膽、魚、很多貝類、墨魚、龍蝦等等。

美國(guó)南方沿海各州的水產(chǎn)品公司，有時(shí)會(huì)專門向?qū)嶒?yàn)室出售海洋生物樣品。

李靈還清楚記得，這項(xiàng)關(guān)于海星的工作始于一次電鏡觀察實(shí)驗(yàn)。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時(shí)，發(fā)現(xiàn)了饅頭海星的奇特結(jié)構(gòu)。

“海星是一種長(zhǎng)得很規(guī)整的小動(dòng)物，但饅頭海星比其他海星長(zhǎng)得還要更加規(guī)則?！崩铎`說(shuō)。

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(jié)構(gòu)的，而饅頭海星的骨骼似乎在微米尺度上也呈現(xiàn)單晶結(jié)構(gòu)。如果真的是雙尺度上的單晶結(jié)構(gòu)，那就是在自然界和人工制品中均未報(bào)道過(guò)的神奇結(jié)構(gòu)，也是非常具有潛力和啟發(fā)意義的結(jié)構(gòu)。

饅頭海星沒有辜負(fù)李靈的期望。

“大海是一座非常豐富的寶庫(kù)。但如果我們前期沒有很好的積累，就無(wú)法從眾多海洋生物中發(fā)現(xiàn)饅頭海星的與眾不同。”李靈說(shuō)，“科研工作者需要有這種積淀和敏感度?！?/span>

除了饅頭海星外，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)還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，還有學(xué)術(shù)界的“明星”海膽刺……他們還發(fā)現(xiàn)某些貝類生物具有可成像的礦物質(zhì)眼睛。

大自然就像一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室，在漫長(zhǎng)的演化中，淘汰了那些不夠經(jīng)濟(jì)、不夠牢固、不夠輕便的材料，留下的“作品”都久經(jīng)考驗(yàn)，充滿值得人類學(xué)習(xí)、借鑒的奧秘。

“海星等海洋動(dòng)物向我們揭示了一個(gè)材料創(chuàng)新的世界，這對(duì)它們?cè)诼邮痴邫M行的海底世界生存至關(guān)重要?！蔽磪⑴c這項(xiàng)研究的弗吉尼亞理工大學(xué)地球科學(xué)系教授、著名生物礦化專家Patricia Dove說(shuō)，“研究這些結(jié)構(gòu)的潛在機(jī)械工程性能，對(duì)前沿新材料的設(shè)計(jì)有著巨大的潛在意義?！?/span>

朝氣蓬勃的華人團(tuán)隊(duì)

李靈出生于1985年，中國(guó)江蘇人，曾榮膺2019 年《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”中國(guó)區(qū)得主。

獲獎(jiǎng)理由是：他發(fā)現(xiàn)一系列多功能生物材料的設(shè)計(jì)原理，極大拓展了人們對(duì)生物材料的認(rèn)知。

李靈

在他的實(shí)驗(yàn)室里，有許多年輕的中國(guó)面孔。這篇論文的作者中，楊婷、陳洪順、賈子安、鄧志飛、陳柳霓等，都是來(lái)自中國(guó)的研究生。

李靈（右一）團(tuán)隊(duì)的一場(chǎng)盛大party，歡送本文第一作者楊婷（中）畢業(yè)。

在李靈看來(lái)，這是一群聰明勤奮而且各具個(gè)性的年輕人，他很享受跟他們一起開展研究工作。他同時(shí)也希望為這些年輕人盡一份自己的力量，引導(dǎo)他們能夠在科學(xué)研究的道路走得更遠(yuǎn)，走得更穩(wěn)。所以當(dāng)?shù)弥疚牡牡谝蛔髡邨铈檬盏铰槭±砉W(xué)院的博士后工作邀請(qǐng)時(shí)，他非常激動(dòng)開心。

李靈期待著，未來(lái)能帶領(lǐng)這個(gè)充滿青春活力的團(tuán)隊(duì)，師法自然，拓展人類的技術(shù)邊界，開發(fā)出更輕、更強(qiáng)、更激動(dòng)人心的新型材料。

論文鏈接：

https://www./doi/10.1126/science.abj9472