师法自然，改造金属

吕之品

硬和韧，这两种属性一般是不可兼得的。但自然界的许多生物都善于制造硬而韧的材料，这个秘密配方如今被我们发现了。

你见过雀尾螳螂虾吗？这是一种色彩鲜艳的海洋动物。它的身子像螳螂;腿多得像杂草;那五彩斑斓的尾巴，则像开屏的孔雀。乍一见，你以为它是从卡通漫画里走出来的，煞是可爱。但你要小心，它有一件秘密武器。当它受到惊吓时，会挥舞一双鼓槌似的短臂（最前端鼓起一个像拳头似的小包）向前猛击。它的“老拳”出击得那么快，那么重，以至于所过之处，水因摩擦而汽化，产生一连串的小气泡，而力量之大足以打碎水缸的玻璃——所以，雀尾螳螂虾必须养在用防弹玻璃做的水缸里。

这个小家伙很了不起吧？其实雀尾螳螂虾在整个自然界中不是孤例。许多植物和动物都已经进化出这样那样的秘密武器，它们手头没有任何机械设备，但制造的东西却可以与我们殚精竭虑设计的产品相媲美。并且这些秘密的武器并不是由什么特殊材料制造的，制造它们的“采购单”上所列的材料都是些微不足道的东西——矿物质、蛋白质、糖等。这些材料，我们的骨头或牙齿里都有。

它们的手艺正是我们热切想模仿的。科学家们打算深入研究它们是如何制造这些武器的，以便重新设计构成我们这个世界的最重要的一种材料——金属。

大自然如何实现硬和韧兼得？

在大多数天然材料中，硬和韧这两种属性就像鱼和熊掌一样不可兼得。石头是硬的，却不韧;木头是韧的，但又不硬。不过许多金属，尤其是常见的铁和铜，就兼具硬和韧的特点，所以它们在生活中用途很广。

但是，随着我们对材料要求的提高，你发现它们同样有一个致命的弱点：你想让金属的硬度增强，就不得不牺牲它的韧性;反之亦然。但许多生物却成功地解决了这个问题。

生物没有利用金属的本领，它们选用的是生物质材料。生物质材料通常由两部分组成：硬度由生物质矿物（如碳酸钙或二氧化硅）来提供;韧性由柔软的有机聚合物（如蛋白质链或糖）提供;两者混在一起，结果是“整体大于部分之和”——硬的更硬，韧的更韧。

以雀尾螳螂虾的拳头为例。就其骨骼的组分而言，跟人的骨骼大同小异。其表面是一层薄而硬的磷酸钙涂层，内里则是一层层的纤维状糖分子层，每一层之间又嵌入磷酸钙，以增强其硬度。只是比起人來，螳螂虾嵌入的磷酸钙更多，纤维状糖分子层也更柔软而已。这种复合结构把硬度和韧性很好地结合起来。

但另一种构造则是我们所没有的：假如你把螳螂虾的拳头纵向剖开，一层一层往里看，你会发现每一层都表现出变化。越往里，磷酸钙晶体颗粒越细小，排列整齐的纤维状糖分子层也变薄了;表现在性能上，是硬度降低。并且，每一层纤维状糖分子的排列方向，与上下层是互相错开的。这样排列的好处是，即便某一层出现了裂缝，裂缝也不容易顺势延伸到别的层上去。这与我们制造的胶合板一样，无论五合板还是七合板，各层纤维都是互相垂直的。但我们制造的胶合板韧性有余，硬度不够。

大自然“作坊”里的秘笈

——梯度

这种由表及里的逐渐变化，借用化学上的术语，叫梯度。在自然界，梯度无处不在。比如，气压从高到低的逐渐变化，浓度从低到高的逐渐变化，都是梯度的例子。螳螂虾的拳头由表及里，磷酸钙晶体颗粒由粗到细，糖分子层由厚到薄，其性能由硬到软，这些变化也是梯度的例子。

梯度正是大自然“作坊”里的秘笈。梯度的表现各式各样。例如，由内及外，一根竹子的纤维素含量会越来越多，这种梯度确保它不易折断。由胶原蛋白组成的鱼鳞也有它的梯度。鱼鳞的外层矿物质含量更高（因为要抵御大鱼的撕咬，需要更高的硬度）;里层贴近皮肉，硬度则降低了，变得更柔韧。还有从蛤、蚶、扇贝等动物身上伸出的足丝，一端连着坚硬的岩石，另一端连着软乎乎的肉。它也有一个巨大的梯度——对着岩石的一端坚硬，而与肉相连的一端则更富有韧性，其硬度只及另一端的1/10。甚至我们自己的牙齿，从里面的牙本质过渡到最外层的牙釉质，也有一个梯度变化。

大自然似乎必须玩这些游戏，因为它能利用的尽是些胶原蛋白、甲壳素和矿物质之类的平凡东西，不像人类，可以根据需要发明出各种新型材料。既然材料平凡，它只能通过玩花样，化平凡为神奇。从表及里制造一种梯度，正是它最常用的手段。

师法自然，改造金属

人类刚刚开始掌握同样的能力。早在2011年，我国材料科学家卢柯和他的同事就在金属铜里制造了一个梯度结构：其表面是具有纳米尺寸的晶粒（金属在电子显微镜下看，都是由晶粒组成的），越往里面，晶粒的尺寸越大。他们是通过保持铜的内部结构不变，反复研磨其表面，使外层晶粒分裂成更小的晶粒来实现这一点的。这种金属的外层，就像牙齿表面的牙釉质一样，使铜的强度提高了一倍，同时又没有降低其韧性。

美国加州大学的罗伯特·里奇则把注意力转向由铁、碳和其他元素组成的合金——钢铁。像卢柯通过打磨来人为制造梯度那样，他用几百个小钢球不停敲打钢铁表面，来人为制造梯度。这么做，除了在金属晶粒尺寸上产生梯度变化外，也使一些晶粒由软的变为较硬的。这种结构提高了钢的硬度，又没有牺牲其延展性。

所有这些成功目前还局限于实验室，要想工业生产，还是一大挑战。 模仿自然的问题之一是，自然界是从原子或分子入手，来制造一个内部具有梯度变化的结构的。而人类走了另一条路——我们先拿来一大块金属，然后试着改变它内部的晶体结构，来人为地制造一个梯度。

解决方案可能是新兴的3D打印技术，它可以让我们一层一层地建造材料。但目前的问题是，3D打印在制作正确的形状上问题不大，可是要制造出一种特定的属性（如硬韧兼具的属性），却不容易。里奇认为，这至少需要10年左右的时间才能改进。

在可塑性不变的情况下，提高硬度，改进后的金属可以做很多事情。比如，钢铁是目前世界上需求量最大的金属，如果硬度提高，可以节省很多钢材，届时飞机、汽车、火车和轮船都可以减轻重量，节省成本和燃料，减少二氧化碳的排放，桥梁也可以“瘦身”。其他改进的金属还可以帮助制造更轻的髋关节置换物、仿生手、机器人、管道、混凝土钢筋，等等。

小贴士

足丝

足丝是贝壳类动物从足丝孔伸出的纤维束，借此将身体固着于岩石或其他的动物上。

足丝有极强的韧性，几乎像强力胶一样，不会被海水腐蚀或变形。其主要成分是一种叫“壳基质”的硬蛋白。这一性质激励基因工程师们在酵母菌细胞中嵌入贻贝的基因，来制造强韧的蛋白。