最佳新材料灵感之源——千奇百怪的生物

最佳新材料灵感之源——千奇百怪的生物  

2013-04-15 19:48:14|  分类： 【探索科學新知】 |

原文来源：    作者：Nadia Drake     翻译：方卉  2013-04-15

 

坚硬闪亮的珍珠母使得鲍鱼贝散发出晶莹的乳白色光泽，天鹅绒虫分泌出滑腻腻的蛋白质混合物以捕食猎物，大自然中处处是灵感，激发科学家不断研制新材料。

下面介绍几种最受欢迎的仿生材料及其自然灵感之源： 防水胶、自行清洁的表面、矿化牙齿、毛绒绒的昆虫脚、还有看似不可仿制的蜘蛛网。

上图为海参，一种变形动物

一般说来，像海参等水生软体动物受到威胁时会变得无比僵硬。海参这种由柔软到僵硬的转变给了凯斯西储大学（Case Western Reserve University）一个科研小组灵感，他们研制出了具有相似性能的材料。但是，他们先了解了海参是如何实现这一转变的：当海参分泌出使纤维变硬的化学物质时，其柔软基质中的胶原纤维网就会变得僵硬了。

科学家仿照海参研制出来的材料遇水会由硬变软。纳米复合材料就是由极小的纤维素纤维填充坚韧的聚合物基质构成，遇水时纤维素纤维会形成氢键充满基质，从而使这种复合材料由硬变软。

植入式神经电极在植入过程中需要其保持僵硬，而植入完成后又需要其保持柔软，因此，该科学小组推测这种材料将来有可能作为植入式神经电极用于人体。 

图片资料：1）电子显微镜扫描到的有自适应机械性能的仿生纳米聚合物的刺激反应 图片由凯斯西储大学提供

            2）上述纳米聚合物的灵感之源：海参  图片由弗雷德?卡朋特（Fred Carpenter）提供

玻璃海绵：极其坚韧的玻璃屋

深海中，有种海绵动物的骨骼是由一种不可思议的材料——玻璃构成的。这些海绵动物——其中有一种叫作“偕老同穴”（ Venus' Flower Basket）——看起来轻盈脆弱，实则无比坚韧。这些玻璃骨骼比某些水泥还坚固，能承受住海底几千磅的压力。

哈佛大学的乔安娜?艾森贝格（ Joanna Aizenberg）研究了玻璃海绵的分子结构，正是这种分子结构使得玻璃海绵不仅如此坚固还能利用到海底发光细菌产生的极少的光。海绵构建模块采用的是与土木工程师设计的结构同款的晶格结构，只不过要小很多。层状铺就的玻璃结构不仅更加坚固，还能传输光线。

其它各地的科学家也在模拟海绵动物——更确切地说，是模拟海绵动物长长的、矿化的骨针结构。3月15日，德国的一个科研小组在《科学》杂志上发表了一篇关于仿生骨针设计进展的文章，这种仿生骨针是由方解石纳米晶体做成的长长的、富有弹性的附器。

图片资料：1）偕老同穴，一种深海海绵动物，由天然玻璃构成，每一股玻璃都由多束玻璃纤维组成，就像钢筋混凝土一样。玻璃编制成的小方格的边长都是2毫米。 图片由怀斯研究（Wyss Institute ）所的乔安娜提供

         2）电子显微镜下偕老同穴（Euplectella）的骨骼特写镜头。层状结构的天然玻璃纤维更加坚固，还能从周围环境中收集光，同时兼备架构功能和视觉功能。 图片由怀斯研究所的乔安娜提供

 

石鳖的牙齿：超刚强材料

石鳖是一种海生软体动物，属于多板纲中原始类型的贝类。石鳖的牙齿（也成为舌齿——译者注）长相惊人（如上图），能嚼碎石头，还能刮下岩石上的海藻，从中汲取养分。美国西北大学（Northwestern University）的德克?乔伊斯特（ Derk Joester）正仿照石鳖那古怪的、能自动磨锐的球根状牙齿改良人造骨材料。他和他的同事们研究了有机蛋白质维持无机骨齿矿物增长的原理，如今正研究海胆体内的晶体生长。

美国河滨市加利福尼亚大学的科学家大卫?卡塞勒斯（David Kisailus）正在研究另一种石鳖（橡胶靴石鳖）的牙齿。这种石鳖是体型最大，长得最像烘肉卷的软体动物，它的一大排牙齿与其它石鳖的形状不同（如下图），却同样能嚼碎石头。卡塞勒斯发现橡胶靴石鳖的牙齿里含有磁铁矿，也正是这种磁铁矿使得它的牙齿超级刚强且有磁性。

在研究了石鳖牙齿中怎么会含有磁铁矿之后，卡塞勒斯开始致力于研发与此相似的用于制作太阳能电池和锂离子电池或许还有防弹衣的矿化材料。

图片资料：1）由美国西北大学材料科学与工程学院乔伊斯特团队的莱尔?戈登提供，《自然》

          2）橡胶靴石鳖的牙齿，图片由美国河滨市加利福尼亚大学提供

贻贝：超强力胶水

任凭潮涨潮落，贻贝总能稳稳地扒在光滑的岩石上，它们的秘诀就是分泌大量的强力黏合剂——科学家的目标就是研制出与之粘力相当的黏合剂。

双壳类动物分泌的滑腻腻的蛋白质，凝固成螺旋状的防水黏合剂。贻贝的螺纹受突出来的瘤状含铁蛋白质的保护。粘性混合物前端的蛋白质中苯丙氨酸（一种特种氨基酸）的含量很高，这种氨基酸使粘性混合物得以迅速干化并牢牢黏在光滑的岩石表面上。现在，科学家将这种氨基酸加入现有的人造贻贝黏合剂中，用于修复胎膜和动脉，密封其它连超强力胶水都黏不住的地方，测试其性能。

在今年2月份召开的美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science）年度会议上，科学家们对贻贝胶进行了讨论。会上，他们讨论了有可能削弱贻贝粘着能力的环境因素、改进现有人造贻贝胶的方法以及将这种生物胶用于药物输送和外伤修复等方面的可能性。

图片资料：1）图片由美国西北大学提供

荷叶：超疏水材料

荷叶上的小水滴不但不会被吸收，反而会集合成大水球，这是因为水的表面张力较高，而荷叶凹凸不平的表面具有防水性。荷叶不仅具有疏水性，而且还能自行清洁，这正是外部建筑用漆、喷涂涂料和建筑物外墙等材料极好的模仿对象啊。

美国乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员还从荷叶上获得灵感，  设计出了用于硅光电池的涂层。他们模仿荷叶粗糙的表面，利用不同的酸液在这种涂层上蚀刻出锥形突起（或者称为金字塔结构，如上图——译者注），并用纳米金粒子控制这些锥形突起的大小。这样一来，硅光电池保持清洁及吸收光的能力都提高了，对于植物叶子或太阳能电池来说，这都是极好的。

图片资料：1）利用氟化氢或双氧水溶液仅用一分钟内就能在硅上刻出这些锥形结构。刻出的锥形结构存在着极微的纳米级的差异。

      2）荷叶   图片来自湘西网络相册

蝴蝶翅膀：结构彩虹色

某些昆虫绚丽的色彩并非色素使然，而是由许多排列有序的、小小的反光结构造成的。甲壳虫和蝴蝶身上闪闪发亮的外衣就是生物光子晶体和堆叠而成的纳米光反射层造成的，而与黑色素无关。

时下，科学家研究出了一种仿造这种纳米层的方法：给物体加一层涂料，再制作一个可打印的模具即可。具体做法就是在玻璃上刻下使蝴蝶闪闪发光的反射结构，或者将这种反射结构加入到荧光颜料、变色颜料甚至是防伪加密装置中。

图片资料：1）加了仿造涂层的蝴蝶翅膀表面放大图（图片由Carlo Pantano/Akhlesh Lakhtakia, Penn State提供）

蜘蛛丝：超强韧力

正如超级英雄蜘蛛侠和其它蛛形纲动物一样，蜘蛛丝拥有很强的软力量。虽然蜘蛛在蛛网上爬行顺畅，但是蜘蛛丝除了具有超强弹性和抗水性外，还具有粘性。蜘蛛网非常轻，能毫不费力地挂在树上和卫生间的角落。许多蛛丝甚至比钢铁更强韧，至少有一种蛛丝强韧到足以把行驶的火车拉住。

许多年来，科学家们一直在努力制造合成蛛丝。然而，不管是不是在实验室里生成的，无论是转基因细菌还是转基因山羊，这些人造的总是不如自然的好。

现在，一家名叫艾玛真丝（AM Silk）的公司声称生产出了最强韧的人造丝。虽然公司不会公布他们的生产过程，但是我们知道这款被称为“生物钢”（Biosteel）的人造丝是由大肠杆菌产出的。公司希望将这种合成丝用作外科植入物及产品的包衣。还有人设想将其用于制造防弹衣和太阳帆以将人类从现实生活中的恶棍手中解救出来。

图片资料：1）人造蛛丝，图片由瑞典农业科学大学（Swedish University of Agricultural Sciences ）提供

     2）图片由Luc. Viatour提供  来自网络相册

毛刺钩：超牢搭扣

20世纪40年代，瑞士工程师乔治?德?梅斯特拉尔（Georges de Mestral）带着爱犬从阿尔卑斯山狩猎回家，身上粘了很多毛刺。用显微镜观察后，梅斯特拉尔发现正是因为毛刺上的小钩，种子才得以黏在衣服和动物皮毛上——基本上，能黏在任何能接触到的东西上。搭顺风车的种子和它们的小钩给了梅斯特拉尔灵感，他设计出了一个结构与之相似的尼龙搭扣，能将两件物品绑在一起，且此过程可逆。

就这样，维可牢（ Velcro，一种尼龙搭扣的商品名称——译者注）诞生了。

今天，超强扣件已经非常普遍了，熔不化，不水解，且每平方英寸足以承担80磅的重力。从鞋子到室内装潢品、汽车内部设计、航天飞机，还有那些经常需要爬墙的人，梅斯特拉尔发明的搭扣无所不在。

图片说明：1）维可牢

          2）毛刺  

 

译者注：

1、纤维素纤维，是采用一种高寒地区特殊植物物种为原料，经一系列独特的化学处理和机械加工而成的本身具有天然的亲水性和高强高模的特点，因其属植物细胞自然分裂生长非人工制作而成，使表面具有很强的握裹力。在后续加工中，采用了特殊的无极材料把纤维制成片状单体，方便于纤维的运输和投放。片状单体在水的浸泡和搅拌机摩擦力的作用下，极易分散为纤维单丝，从而起到抗裂效果，可有效提高混凝土的力学性能 抗冻融性及抗渗性。

2、硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。

3、太阳帆（也称为光帆，特别是它使用来自于太阳以外的光源时）是使用巨大的薄膜镜片，以太阳的辐射压做为太空船推进力的一种计划。辐射压不仅非常小，而且与太阳距离的平方成反比，但不同于火箭的是，太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小，但是只要太阳继续照耀着，太阳帆就能继续运作。太阳帆的观念是17世纪德国的天文学家开普勒最早提出的 ，在1920年待后期，福禄贝尔·占德经过近十年的淬练才再度提出此一观念。