研究者们正在借鉴犰狳外壳和珍珠母来创造人类骨骼的替代品，并研制一种新的防护服
你会放心让一种由果冻和粉笔制成的骨骼来支撑你身体，让你灵活运转吗？其中的羟磷灰石是一种无机矿物质――白色易碎的，钙基白垩物质。而胶原，是骨骼中含碳的有机物质，“它和胶质很相近。”来自苏黎世瑞士联邦科技所的物质科学家安德烈·斯图达特（AndréStudart）说道。
就是从这些脆弱的生物中，大自然产生出了强壮灵活，能够自我修复的结构。活细胞帮助这种装纳血液器官并支撑整个人体的复杂坚硬结构的生长。科学家们花费了多年时间试图更好地理解这种复杂结构以及它是如何工作的。骨骼也并不是唯一值得调查的自然物质。珍珠母，又称作蚌壳，是非常具有抗断性的。牙齿中的牙质与骨骼类似，很大部分是由含钙矿物、水和釉层底下结构复杂的有机物构成，能够坚硬到咬开牛排或裂开坚果。在鱼和犰狳身上的硬壳是一种典型的灵活的防水防穿孔的物质。另外，2015年2月的一份研究报告指出，帽贝的牙齿，生而具有和矿物质交织在一起的纳米尺寸的纤维，这估计是大自然所创造的出的最坚韧的物质。
如果科学家们能探索出构成以上这些物质的内在奥秘，人们也许就能够用大量廉价的材料制作出自我修复的超硬物质，或是造出替代人体器官的生物移植物。人类也就当然不被只存在于生物体中的物质所限制。或许，大自然创造出的已经存在百万年的完美物质可以应用到石墨、芳轮纤维、钛或是玻璃中来创造出更高级的材料。
研究者在重新制造数千年里进化演变的物质方面已经取得了稳定进步。尽管完整的人造骨骼仍是遥不可及的梦想，但人们现在已经有可能做出人造蚌壳。通过研究骨骼人们发明出了抗震玻璃。物质科学家们正在和军方合作，模仿鱼类自我保护的原理来制造盔甲。但是自然进化中有一样东西是人类缺乏的，也就是伦敦帝国理工学院科学家爱德华多·塞兹（Eduardo Saiz）所说，“大自然不会像人类一样受到时间限制。”
奇闻异事
第一个挑战就是了解这些物质是如何构造的。骨骼、蚌壳还有其他坚硬的自然物质，它们的原子、分子和纳米级的结构都很复杂，反过来又影响它们微米级的结构，一直层层向上影响到胫骨或者是左臼齿。要弄清楚每层结构的复杂性需要使用大量最先进的技术，包括原子力显微镜技术、X射线分析，以及用X线断层摄影术一片一片地观察物质，来自剑桥麻省理工学院的物质研究学家克莉丝汀·奥尔蒂斯（Christine Ortiz）说道。她希望从这些大自然的物质中汲取经验，但前提是了解它们每一层的物理结构。
在骨骼中，这种结构层级是很好理解的。它由长长的胶原分子开始：三条线缠绕成纳米长的螺旋线，合起来形成一毫米厚的小纤维。这些小纤维绕在一起，形成大约10倍厚的细丝，中间留出恰好足够的空间给羟磷灰石来增强其坚韧性。细丝们又组成一种平整的，像金属薄片的结构，然后卷起来形成名为骨单位的管道，以供血管在骨头内部延伸。许许多多的骨单位共同组成了一整块骨头。
蚌壳的微观结构激励着科学家们探索廉价且坚硬的材料
细胞能够改变胶原纤维周围的化学物质来组成一种结构，或是产生一种矿化作用，这种能力处处存在。斯图达特的目标就是模仿这种复杂结构，但理想离现实还很遥远。“我们远远不能达到大自然造物的水平，”他说，“我们还没有深入了解这种细胞究竟是做什么的。”
不过，科学家们正在尝试学习这种结构上的复杂性，并创造出我们独有的超级物质。比如说，斯图达特正在寻找其他的方式来了解骨骼中最原始的物质构造。“我采用工程学的方法，也就是本例中的磁学方法。”他和他的团队把少量的强磁性的纳米级颗粒添加到由微小薄片和铝棒、聚氨酯以及其他多种富有弹性的聚合物形成的合成材料中，使它们悬浮在溶剂中。一种脆弱的磁场发生作用导致磁性纳米粒子沿一个特定的方向拖拽纤维，形成一种很像骨骼中胶原纤维的有序结构。一旦这些薄片和棒状物就位，就可以通过蒸发溶剂使它们定格。斯图达特用这种方法研制出了坚硬有耐性，并且变形后有复原能力的复合材料。
但是通过排列分子来形成稳定性的材料只是自然界中的一件小事情。自然界中另外一个规律是同一些物质会形成不同物理性能的材料。试想一下黏附在骨头上的肌腱：开始时的物质是相同的，尤其是其中的胶原，然后不同的数目结合成不同的结构，最后在同一个关节中具有相反的功能。在骨头一端，它们是强硬的；在肌腱一端，它们没有那么钙化，形成了柔软灵活的组织。斯图达特正在实验室中研究如何造出具有成分梯度的物质，他做出了一种在5个数量层级上都具有不同弹性的物质。相对于天然的骨腱结合只是在两个数量层级上具有不同弹性，这是一种巨大的飞跃。在大自然中，物理性能的转变取决于羟磷灰石强化胶原纤维的程度。类似的，斯图达特利用不同大小的氧化铝分子或是合成黏土来强化聚氨酯，从而得到不同程度的弹性。
要想用人造材料取代伤痛的脊椎或肌腱还需努力。塞兹说：“探寻骨骼或蚌壳的机理并不是一蹴而就的事情。”他期待着3D打印机的出现，因为它能够把一大堆材料的结构显示出来。不过他说目前的打印机还不能显示出纳米级的结构。
细节决定成败
骨头、蚌壳以及牙齿的纳米级结构中都含有片状的矿物碎片，这些碎片就像墙上的砖头一样排列。事实上，骨细胞中有一种专门的蛋白质来使矿物分子们排成墙体砖头的形状――这个过程叫做生物矿化。“这种自底向上的建造方式在实验室中是很难还原的，”来自加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学材料工程师弗朗索瓦·贝特洛（Francois Barthelat）说道，“因为纳米大小的砖形物操作起来很困难，而且在规模如此小的情况下，物质表面力的性质会失之毫厘，差之千里。”
包括塞兹在内的一些物质科学家说，要想制造出一种仿造骨头的合成物，就有必要还原其每个层级的结构，包括纳米层的、微观的、宏观的部分。但是也有其他人认为可以跳过最微小一层的结构。比如贝特洛就说，“我们不需要探究到纳米层才能得到物质的性质。”不同于把纳米小的砖形物堆成墙的方法，贝特洛从另一个角度研究这个问题。他的团队把类似于骨头中3D砖墙的物质嵌进玻璃，但是那些砖块是200微米宽，而非纳米大。他们用激光穿进玻璃探测其表面和内部。即使是以微米大的形式，这个试验也产生了影响。贝特洛说仿生技术完全改变了物体的性质。改造后的玻璃硬度是原有玻璃的200倍，而且可以改变形状。贝特洛说原因在于，嵌入玻璃中的形状就像扩展的裂纹一样给了破坏性能量一个渠道，并使这种能量不受削弱地抽离出物体本身。他希望用这种方法做出的人造材料，如玻璃或陶瓷，能更加坚硬耐用，甚至比大自然中的物质更好。
水外之鱼
要想充分利用这些超硬的天然物质意味着不仅要模仿它们的形状，还要弄懂其功能。以鱼鳞为例，它为鱼类收缩、蹦跳或者扭动提供了坚硬的外壳。鱼鳞能为如此不平的鱼身提供良好保护的能力吸引了奥尔蒂斯，她正在调查这种天然防护性外表的结构是如何同其功能联系起来的，并借此为人类研制防护服。
她的团队研究了不同种类的鱼鳞是如何在鱼身被咬的时候提供保护的。他们发现鱼鳞有很多层，大小不同的每一层都有独特的变形机制、机械性能以及承重能力。他们按比例做出了放大的3D鱼鳞模型；还发明了计算模型来为人体定制外衣，给脆弱的关节，如肩膀、膝盖、胳膊肘，以及平整的身体躯干提供保护。奥尔蒂斯在研制衣服外形方面已经有了专利，但真正可用的防护服还没有达成现实，她说这个专利以及计算模型只是刚刚迈出的第一步。
迄今为止，人造的结构性材料还达不到骨头、鱼鳞或是蚌壳那么复杂，但也许我们并不需要这种复杂程度。石墨烯――一种单原子分子组成的蜂巢状的碳物质，是迄今发现的最坚硬的物质，一旦石墨烯的生产方法被掌握，用它来进行复杂的3D排列就可以制造出比其本身坚硬和灵活数百倍的材料。将天然形成过程应用于合成材料，制成轻盈灵敏、迅速反应、自我修复的坚硬物质，将是未来超级材料的趋势。斯图达特说，“我们应当超越自然。”最难的一步是要先了解大自然。
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐