这种疯狂结构让海星灵活又坚固

　　记者 李晨阳
　　登上最新一期《科学》封面的是一只馒头海星的骨骼局部图。在扫描电子显微镜下，其上密布着鳞次栉比的小方解石晶体。
　　这篇2月11日发表于《科学》的论文，介绍了科学家首次在自然界中发现的这种神奇结构，它在原子和微米双尺度上都呈现单晶结构。以人类现有技术，还无法复制出这种材料。
　　＂海星骨骼是由多孔碳酸钙材料组成的，这种材料的化学成分与粉笔一样非常易碎。但我们看到的海星既灵活又强韧。这是一种纯天然、具有良好性能的多孔轻质陶瓷材料。＂论文通讯作者、美国弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授李灵对《中国科学报》说。
　　＂疯狂＂的海星
　　轻盈、坚固的材料对汽车和航空航天制造等行业来说是理想的材料。
　　在弗吉尼亚理工大学生物和仿生材料实验室，李灵团队正在研究天然轻质陶瓷结构。他们发现，相比人类的创意，大自然的设计总是更加疯狂。
　　以馒头海星这一印度—太平洋地区的常见物种为例，其骨骼由不计其数的、直径只有几毫米的＂小骨＂组成。这些小骨与软组织相连，使馒头海星能够灵活运动。与此同时，每个小骨又由细密紧致的微晶格构成。这种分枝状结构有点像迷你的埃菲尔铁塔，精巧、有序、繁复。
　　这个＂艺术品＂非常轻巧，其主要组成成分碳酸钙的密度只有2.7g/cm3。再加上它的整个结构有一半是规则排列的孔洞，总体平均密度和水（1g/cm3）差不多。
　　碳酸钙是一种随处可见而且不被重视的材料。轻轻一掰就碎的粉笔，就是由碳酸钙结晶方解石构成的。但一种物质在不同结构下，性能也会极为不同。
　　＂海星的骨骼就像用一整块方解石单晶雕刻出来的周期性晶格。这种近乎完美的双尺度微晶格结构此前从未被报道过。＂李灵说。
　　这种结构让海星可以在特定方向上强化骨骼，既灵活又坚固。更神奇的是，在微晶格断裂时，该结构还能阻止裂纹进一步发展。
　　研究人员还注意到它的另一个性能：吸能。这个概念常常出现在汽车上，是指在激烈碰撞中，材料本身的破碎能吸收掉一部分动能，以保护车里的乘客。经测算，海星骨骼材料的吸能指标比现在常用的泡沫陶瓷高出许多。
　　然而，＂很遗憾，人类现有技术还不足以复制这种材料＂。李灵说。
　　李灵团队用3D打印技术制作了一个立方体模型，能让人们从视觉上了解这种材料的内部结构，但这只是塑料而不是单晶的。如果要制成陶瓷产品，可能会引入许多无法控制的微小气孔和裂纹。
　　李灵希望，技术的进步和深入的研究最终能提供一个理想的解决方案，让这一大自然的绝妙设计走进产业，造福人类。
　　从＂海鲜＂中寻宝
　　李灵实验室是一个擅长从＂海鲜＂中寻宝的团队。他们的研究目标有海胆、鱼、贝类、墨鱼、龙虾，等等。
　　美国南方沿海各州的水产品公司，有时会专门向实验室出售海洋生物样品。
　　李灵还清楚记得，这项关于海星的工作始于一次电镜观察实验。那天他带着一名博士生用扫描电子显微镜观察不同种类海洋生物生成的多孔材料，结果发现了馒头海星的奇特结构。
　　＂海星是一种长得很规整的小动物，而馒头海星比其他海星长得更规整。＂李灵说。
　　他立刻想到，之前的研究显示海星骨骼在原子尺度上是单晶结构的，而馒头海星的骨骼似乎在微米尺度上也呈现单晶结构。如果真的是双尺度上的单晶结构，那就是在自然界和人工制品中均未报道过的神奇结构，也是非常具有潜力和启发意义的结构。
　　馒头海星没有辜负李灵的期望。
　　＂大海是一座非常丰富的宝库。但如果我们前期没有很好的积累，就无法从众多海洋生物中发现馒头海星的与众不同。＂李灵说，＂科研工作者需要有这种积淀和敏感度。＂
　　除了馒头海星外，这个研究团队揭秘了能抵抗深海高压的墨鱼骨骼、为咬开贝壳而生的黑鼓鱼牙齿、具有多种功能的海绵骨骼、学术界的＂明星＂海胆刺……他们还发现某些贝类生物具有可成像的矿物质眼睛。
　　＂海星等海洋动物向我们揭示了一个材料创新的世界，这对它们在掠食者横行的海底世界生存至关重要。＂未参与该研究的弗吉尼亚理工大学地球科学系教授Patricia Dove说，＂研究这些结构的潜在机械工程性能，对前沿新材料的设计有潜在意义。＂
　　＂这是一张很美的图片＂
　　李灵认为，这篇论文之所以能登上《科学》封面，是因为＂这是一张很美的图片＂。
　　＂它可以让你领略到大自然奇妙的对称美。首先你能看到背景中具有光滑表面的微晶格结构。它像是一种极其规整的格子。然后你可以看到在后期实验过程中生长出的碳酸钙小晶体，它们也都排列得非常整齐，有着一致的方向和高度的对称性。正是这种复杂却极具秩序的结构，让原本脆弱的材料变得更加轻盈、强劲，并且对机械损伤有了很高的耐受度。＂
　　至于图片的蓝紫色调，则是李灵＂随便调出来的＂。
　　包括李灵在内，这篇论文的大多数作者都是中国人。杨婷、陈洪顺、贾子安、邓志飞、陈柳霓等中国研究生都作出了贡献。
　　在李灵看来，这是一群聪明勤奋而且极具个性的年轻人，他很享受跟他们一起开展研究。他同时也想尽一份力，引导他们在科学研究的道路上走得更远、更稳。
　　李灵期待未来能带领这个充满青春活力的团队，师法自然，拓展人类的技术边界，研发出更轻、更强、更激动人心的新型材料。