宋凡：小结构，大力学

中国科学院力学研究所研究员，博士生导师宋凡

　　新浪财经讯 CC讲坛第十八期于2017年5月1日在北京大学医学部跃进报告厅举行，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师宋凡出席并发言。

　　经历了地球亿万年的演化，看起来寻常的小生物的微结构里，隐藏着让人类脑洞大开的智慧，一个小小的贝壳竟然改变着我们的今天和未来。

　　以下为发言实录：

　　宋凡：我们生活的这个世界，这个大自然，它经历了亿万年的演化。这个演化就是大家说的物竞天择，优胜劣汰，是一种相当残酷的演化。通过这种演化过程，我们现存地球上的生物，哪怕是动物或者是植物都具备了一种与自身生活环境相适应的一种特殊的形态，或者说是功能。而这种特殊的形态或功能，是我们人类不具备的。因此，自古以来，我们人类都崇尚师法自然，取长补短。

　　仿生这是最有效的方法和手段。

　　那提到人类的仿生，我们最先想到的必然是形态仿生。形态仿生那么最先想到的就是大型建筑物的仿生，比如说鸟巢和这个水母酒店。另外一种就是生物的功能仿生。我们希望得到的功能。比如说，我们向鸟类学习，我们发明了飞机；我们向蝙蝠学习，我们获得了雷达。

　　那今天我们要讲的是什么呢？我们来讲讲贝壳。贝壳可以说是大自然给我们人类的最好的礼物。在工业建筑结构上比比皆是，最有名的当然是悉尼歌剧院，它就是仿贝壳。

　　我今天要讲的是什么呢？是贝壳的微结构。

　　我们小时候都知道，一支粉笔拿到手上一掰就断了，对吧？当时还有老师把这个粉笔掰断了砸学生，对吧？这就是说明它很容易掰断。小贝壳是很难掰断的。那么就是说它们两个之间存在力学性能的差异。而它们的成分是什么呢？都是大于95%的碳酸钙晶片构成的。

　　为什么相同的成分会有这么大的性能差异呢？

　　我们研究发现：贝壳，它是一种有序的结构，而粉笔是一种无序的结构。正是这种有序和无序的差异导致了它们力学性能上的巨大的差异。

　　贝壳到现在为止，我们已经发现了5万多种贝壳，但是这5万种贝壳当中实际上只有7种微结构。在这7种微结构当中，（图）最下面的一种叫作珍珠母，它具有最好的力学性能。珍珠母，顾名思义就是珍珠它妈妈，就是生珍珠的地方。那它在什么地方呢？它就在贝壳的最内层，所有的珍珠就在这儿产生的。所以说它的成分和珍珠完全一样。这个图大家看，它就是跟砖墙一样。跟咱们现在的墙一样。它是由这个六角形碳酸钙的小板一块一块地堆积而成，而中间是 5%的有机基质，所以说它叫做砖墙式结构。正是因为这种结构，它导致了材料的性能有多好？我告诉大家两个标准：第一，珍珠母它的断裂功是形成它的碳酸钙晶片断裂功的3000倍；第二个指标，它产生的变形是它本身晶片产生变形的10倍以上。就是说，一个碳酸钙晶片如果拉这么长，那么珍珠母就可以拉这么长。

　　珍珠母实际上是一种陶瓷材料，我们叫它生物陶瓷。现在当前世界陶瓷材料最大的目标是什么？就是克服它的脆性，增加它的韧性。这是世界陶瓷研究的最根本的问题，所有陶瓷材料基本上都围绕着它。另外可以大家可以从表上也可以看到 ，珍珠母的综合指标是最好的。航空发动机里面的叶片现在用陶瓷，但是性能不好。另外坦克的外皮防护装甲全部是陶瓷的。陶瓷的韧性在我们工业和现在这个需求上是极其迫切的。因此，它才会导致现在大家对仿生的这种这么样的热情。珍珠母有这么好的功能，当然大家要研究。

　　它这么好的韧性是怎么产生的呢？到了1995年的时候，因为很早就有研究，美国一组科学家发现：原来珍珠母它是通过三个特征来达到它的韧性的。第一个，就说它要断的时候，那个一块块的晶片它要这么拔出来，这是第一个。在这个拔的过程当中，消耗了大量的能量。第二个，就是在它断裂过程当中裂纹穿透，它不是像一般的裂纹，唰！就开裂了，而它是拐来拐去地这么拐，这个也耗费了大量的能量。第三个，就是它在拐来拐去的这个过程当中，它有有机基质要做桥连，就是有机基质要把这个裂纹拉着了。这三个机制导致了珍珠母的韧性这么好。

　　那好，我们明白了它的情况过后，材料学家就开始自己制作珍珠母，就制作层状材料啦。大家看到制作的结果是这三个特征我全都有，但是我的韧性，（对比）它是3000倍，我（们）大概现在能做到才50倍左右，也不错了。但是我离3000倍的还差得远呢 ！于是大家又回头来想：想是不是第一件事，就是说是不是会有另外一种微结构？产生，就是不光是你的砖墙式结构，还有另外的微结构呢？1997年，加州理工大学的一组科学家，他们研究珍珠母的有机基质，就是（图上）层间那个红的那个有机基质，发现在那个有机基质里面存在大量的孔洞。但是这个孔里面是什么？他说不清楚。然后他根据孔洞的形貌，他们提出了一个假设：就是说这个孔洞里面是一种矿物桥。这种矿物桥，它穿过你这个有机基质把上下的层片连接在一起了，就像这样。，它把它上下的层片连接在一起了。但是他们没有看到孔洞。紧接着世界上大概我知道的是六个小组，都在做这件事情，要找出矿物桥，都没有找到。2000年，我们通过一系列的实验，通过一系列的艰苦的工作，我们发现了矿物桥。这一张照片，就是全世界第一张矿物桥照片。

　　这里面呢我要讲一个小故事。因为我们是用透射电子显微镜看这个结构。就是大概是在200万倍的情况下看这个结构，它这个时候，存在一个什么问题呢？用透射电子显微镜做这个珍珠母的试样的时候，做厚了，透射显微镜这个电子穿不过去，那就得不到图像。做薄了呢？当电子束打到这个材料上，一下就崩溃了。哗！就往下掉，还掉到电镜里面。这个时候我们就意识到了，为什么全世界上的人，大家这么多组在找这个矿物桥，为什么大家找不到，因为它问题出在这。但是这个时候，因为我们的一个经验，我们在这个做在这个薄的这个思想（材料）上，我们喷上了钛的金属，把钛融化了我喷上去，这样我们就加固了这种薄试样，于是电子束就能透过去了。这样我们这个实验才算是做成了。，所以说也就从这个里面我们就了解到可能大家原来面临了这样一个问题。我们运气比较好，我们知道这个方法，我们解决了这么一个问题。

　　我们发现，矿物桥确实可以极大地提高这种层状材料的力学性能。有了这些这些研究过后，我们再进一步，我们还在实验中发现，矿物桥还可以阻挡裂纹的扩展。这个我们就解释了刚才我们说的大家做出来的层状材料的韧性不能和珍珠母相比，就是因为矿物桥造成的。这个我们就把刚才那个（有了矿物桥，增加陶瓷材料韧性）难题，我们也就解决了。

　　我们在做这个实验的时候，还意外地发现了一件很有趣的事情，就是在珍珠母的变形过程当中，它存在负泊松比效应。什么叫负泊松比效应？看看这幅图，就是说一根棍子，我在拉的过程当中，中间会变细，这个叫作泊松比效应。当我拉的时候中间变粗，这就叫作负泊松比效应。珍珠母在变形的某一阶段它就存在这样一种效应，而这种效应就导致了珍珠母在外力的作用下它可以体积吸收功率11倍，而降低它的变形功到40%。这样就是珍珠母可以有更大的韧性和更大的变形能力。在所有的工程材料当中，大家都希望做出珍珠母来。做一个这个矿物桥一定能发到《SCIENSE》上，但是到现目前为止 ，工业上没有任何一个人做出来。这也是一个遗憾。

　　通过这个事情我们也说明了一件事，什么呢？就是说生物的制造是非常好的一种制造。我们平时说的环境优良型制造，这些都是生物制造。现在我们人类的合成技术，比如说就是说陶瓷，高温高压都需要大量的耗能，但是你再耗能，怎么也合成不出矿物桥这样的微结构。只有生物才做成了矿物桥这种结构。可以说是目前合成陶瓷界一个世界性的难题。这个难题希望在下面的有志的青年能够来考虑。

　　好，我刚才讲了陶瓷的有关于韧性的问题。我下面再讲一个陶瓷的难题，叫作热震。

　　热震是什么？我先给大家一个基本的概念，比如说航天飞机，（图）这个是近空间飞行器，这是美国的X37B。大家都知道这些飞机是什么呢？它是要飞到外太空去的，然后从外太空再回到地球上来。回到地球上来的时候，因为它的速度很高，都是十个马赫左右，进来过后它会和大气层摩擦产生热，它能够产生到大概2000℃到3000℃的高温。这样它就把表面这些东西全部烧蚀了。烧蚀就会造成什么一个问题呢？有可能导致材料的破坏，甚至飞机的瓦解，这就是热震。

　　而热震是陶瓷材料的一种特性，别的金属材料没有这个特性。其实热震刚才说的比较高大上，热震是什么，说白了就是煮鸡蛋的时候，把它煮熟了拿起来丢到凉水里面，啪！鸡蛋壳炸了，这就是热震。还有大家的那个凉水杯，水杯比较凉，用开水倒进去，啪！水杯炸了，那就是热震。那么热震的本质是什么呢？就是当加载的速度很快，超过一个温差的时候，它的强度一下就降下来了。比如像这几幅图，700℃嘣一下降到100℃，它当然就炸了。那么它的结果是什么呢？就是产生了裂纹。

　　刚才我们说到热震是陶瓷材料的特征，是它的本性。那我们怎么把这种热震这种克服掉？我们又回到我们煮鸡蛋，大家注意到没有？我们煮鸡蛋的时候是煮熟了鸡蛋，把鸡蛋拿出来通过空气再丢到水里炸了，热震发生了。那我们通过这段空气，它是并没有发生热震。对吧？而只是掉到水里面才发生热震。那么也就是说作为一个介质，空气是一个介质，水是一个介质，这两个介质之间一定存在着某种东西让鸡蛋不会发生热震。那是什么？那就是我们称为表面热阻，就是说空气的表面热阻。实际上比水里面的，表面热阻大得多。那好了，我要克服热震，我就自然就想到：如果我把陶瓷表面附上一层空气，我就让空气粘到这上面，那它是不是就不热震了呢？

　　那我们就开始向自然学习。实际上这种结构是有的，你们所想到的，其实自然界都有，只不过是你没有发现它是有的。

　　第一，我们先说植物。植物那就是荷叶。大家知道荷叶也有一种效应，叫作疏水效应。什么叫疏水效应呢？我们最直接的是把荷叶取下来，楞把它放到水里，塞到水里面去，你会发现是荷叶的表面一片银色。对吧！那个是什么？那个就是在荷叶的表面和水之间沉积了一层空气。就像这个亮的这个，它里面是一层空气。那我们再看看荷叶面上的蜻蜓。其实蜻蜓它也是疏水的。下雨的时候所有的动物，有几个在外面？只有蜻蜓可以在雨中飞翔，对吧！为什么？它也是超疏水。具体是怎么回事呢？荷叶实际上它的表面是一种图上那种分级式结构，这种纳米结构就是不停地分级，这样造成了水滴上去过后（科学上叫做水接触角），这个水接触角越大，表示它的疏水性越好。荷叶可以达到160°的疏水角，它是一种超疏水的。所以现在建筑物、运输工具这些都希望用这种结构。为什么呢？如果你想它是自清洁的。我们房子——高层建筑，一下雨就把它冲得干干净净，就用不着人工去洗了。对不对？汽车，你们家的汽车不用洗，只要一下雨开出去，它自动就把它洗干净了。对吧！这实际上就是一个应用得非常好的前景，现在大家都正在做。

　　另一个就是蜻蜓，蜻蜓的结构和荷叶稍有不同，它是一种随机的这种结构。而这种随机的结构，它的疏水效应更好，它水接触角可以达到173°。那好了，我们找到了这种生物里面的东西，下面我们就该仿生了。我们就在我们的材料表面——陶瓷表面，你看我们陶瓷原来是大概是70°的疏水角。我们就做仿生，做出了像刚才蜻蜓表面一样的，这个表面水接触角能够达到120°。当然和蜻蜓的表面那是没法比，它是自然的天然的，我们要向它学习，我们一直要向它学习。对吧！不管怎么说，它是一种超疏水结构。有这种表面的陶瓷，再也不会发生热震了。它就平平的走过去，就随便的上升了几千度，它也不会发生热震了。而其机理在于什么呢？就是在于我们在它的表面通过这个仿生的方法，附着作用了空气。这种空气导致我们提高了表面热阻5000倍。

　　所以说通过这个例子，我们也可以看到，我们人类仿生，并不是机械的去只是形式上的做仿生。因为我们人类是有智慧的，我们人类是可以通过我们的智慧提升生物的这种结构的功能。就是说你原来是做疏水的，我可以把你提升来防热。

　　最后，我们可以这样说大自然的生物，它经历了亿万年的进化，获得了与其生存相适应的状态和功能，这些都值得我们人类怀着崇敬的心理去学习它。第二，我们仿生它不能只停留在形式上，而是要将这个人类的智慧和大自然的智慧结合在一起。这样创造出更加璀璨的人类文明。

　　谢谢大家！

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