中國科學院力學研究所研究員，博士生導師宋凡

　　新浪財經訊 CC講壇第十八期于2017年5月1日在北京大學醫學部躍進報告廳舉行，中國科學院力學研究所研究員，博士生導師宋凡出席并發言。

　　經歷了地球億萬年的演化，看起來尋常的小生物的微結構里，隱藏著讓人類腦洞大開的智慧，一個小小的貝殼竟然改變著我們的今天和未來。

　　以下為發言實錄：

　　宋凡：我們生活的這個世界，這個大自然，它經歷了億萬年的演化。這個演化就是大家說的物競天擇，優勝劣汰，是一種相當殘酷的演化。通過這種演化過程，我們現存地球上的生物，哪怕是動物或者是植物都具備了一種與自身生活環境相適應的一種特殊的形態，或者說是功能。而這種特殊的形態或功能，是我們人類不具備的。因此，自古以來，我們人類都崇尚師法自然，取長補短。

　　仿生這是最有效的方法和手段。

　　那提到人類的仿生，我們最先想到的必然是形態仿生。形態仿生那么最先想到的就是大型建筑物的仿生，比如說鳥巢和這個水母酒店。另外一種就是生物的功能仿生。我們希望得到的功能。比如說，我們向鳥類學習，我們發明了飛機；我們向蝙蝠學習，我們獲得了雷達。

　　那今天我們要講的是什么呢？我們來講講貝殼。貝殼可以說是大自然給我們人類的最好的禮物。在工業建筑結構上比比皆是，最有名的當然是悉尼歌劇院，它就是仿貝殼。

　　我今天要講的是什么呢？是貝殼的微結構。

　　我們小時候都知道，一支粉筆拿到手上一掰就斷了，對吧？當時還有老師把這個粉筆掰斷了砸學生，對吧？這就是說明它很容易掰斷。小貝殼是很難掰斷的。那么就是說它們兩個之間存在力學性能的差異。而它們的成分是什么呢？都是大于95%的碳酸鈣晶片構成的。

　　為什么相同的成分會有這么大的性能差異呢？

　　我們研究發現：貝殼，它是一種有序的結構，而粉筆是一種無序的結構。正是這種有序和無序的差異導致了它們力學性能上的巨大的差異。

　　貝殼到現在為止，我們已經發現了5萬多種貝殼，但是這5萬種貝殼當中實際上只有7種微結構。在這7種微結構當中，（圖）最下面的一種叫作珍珠母，它具有最好的力學性能。珍珠母，顧名思義就是珍珠它媽媽，就是生珍珠的地方。那它在什么地方呢？它就在貝殼的最內層，所有的珍珠就在這兒產生的。所以說它的成分和珍珠完全一樣。這個圖大家看，它就是跟磚墻一樣。跟咱們現在的墻一樣。它是由這個六角形碳酸鈣的小板一塊一塊地堆積而成，而中間是 5%的有機基質，所以說它叫做磚墻式結構。正是因為這種結構，它導致了材料的性能有多好？我告訴大家兩個標準：第一，珍珠母它的斷裂功是形成它的碳酸鈣晶片斷裂功的3000倍；第二個指標，它產生的變形是它本身晶片產生變形的10倍以上。就是說，一個碳酸鈣晶片如果拉這么長，那么珍珠母就可以拉這么長。

　　珍珠母實際上是一種陶瓷材料，我們叫它生物陶瓷。現在當前世界陶瓷材料最大的目標是什么？就是克服它的脆性，增加它的韌性。這是世界陶瓷研究的最根本的問題，所有陶瓷材料基本上都圍繞著它。另外可以大家可以從表上也可以看到 ，珍珠母的綜合指標是最好的。航空發動機里面的葉片現在用陶瓷，但是性能不好。另外坦克的外皮防護裝甲全部是陶瓷的。陶瓷的韌性在我們工業和現在這個需求上是極其迫切的。因此，它才會導致現在大家對仿生的這種這么樣的熱情。珍珠母有這么好的功能，當然大家要研究。

　　它這么好的韌性是怎么產生的呢？到了1995年的時候，因為很早就有研究，美國一組科學家發現：原來珍珠母它是通過三個特征來達到它的韌性的。第一個，就說它要斷的時候，那個一塊塊的晶片它要這么拔出來，這是第一個。在這個拔的過程當中，消耗了大量的能量。第二個，就是在它斷裂過程當中裂紋穿透，它不是像一般的裂紋，唰！就開裂了，而它是拐來拐去地這么拐，這個也耗費了大量的能量。第三個，就是它在拐來拐去的這個過程當中，它有有機基質要做橋連，就是有機基質要把這個裂紋拉著了。這三個機制導致了珍珠母的韌性這么好。

　　那好，我們明白了它的情況過后，材料學家就開始自己制作珍珠母，就制作層狀材料啦。大家看到制作的結果是這三個特征我全都有，但是我的韌性，（對比）它是3000倍，我（們）大概現在能做到才50倍左右，也不錯了。但是我離3000倍的還差得遠呢 ！于是大家又回頭來想：想是不是第一件事，就是說是不是會有另外一種微結構？產生，就是不光是你的磚墻式結構，還有另外的微結構呢？1997年，加州理工大學的一組科學家，他們研究珍珠母的有機基質，就是（圖上）層間那個紅的那個有機基質，發現在那個有機基質里面存在大量的孔洞。但是這個孔里面是什么？他說不清楚。然后他根據孔洞的形貌，他們提出了一個假設：就是說這個孔洞里面是一種礦物橋。這種礦物橋，它穿過你這個有機基質把上下的層片連接在一起了，就像這樣。，它把它上下的層片連接在一起了。但是他們沒有看到孔洞。緊接著世界上大概我知道的是六個小組，都在做這件事情，要找出礦物橋，都沒有找到。2000年，我們通過一系列的實驗，通過一系列的艱苦的工作，我們發現了礦物橋。這一張照片，就是全世界第一張礦物橋照片。

　　這里面呢我要講一個小故事。因為我們是用透射電子顯微鏡看這個結構。就是大概是在200萬倍的情況下看這個結構，它這個時候，存在一個什么問題呢？用透射電子顯微鏡做這個珍珠母的試樣的時候，做厚了，透射顯微鏡這個電子穿不過去，那就得不到圖像。做薄了呢？當電子束打到這個材料上，一下就崩潰了。嘩！就往下掉，還掉到電鏡里面。這個時候我們就意識到了，為什么全世界上的人，大家這么多組在找這個礦物橋，為什么大家找不到，因為它問題出在這。但是這個時候，因為我們的一個經驗，我們在這個做在這個薄的這個思想（材料）上，我們噴上了鈦的金屬，把鈦融化了我噴上去，這樣我們就加固了這種薄試樣，于是電子束就能透過去了。這樣我們這個實驗才算是做成了。，所以說也就從這個里面我們就了解到可能大家原來面臨了這樣一個問題。我們運氣比較好，我們知道這個方法，我們解決了這么一個問題。

　　我們發現，礦物橋確實可以極大地提高這種層狀材料的力學性能。有了這些這些研究過后，我們再進一步，我們還在實驗中發現，礦物橋還可以阻擋裂紋的擴展。這個我們就解釋了剛才我們說的大家做出來的層狀材料的韌性不能和珍珠母相比，就是因為礦物橋造成的。這個我們就把剛才那個（有了礦物橋，增加陶瓷材料韌性）難題，我們也就解決了。

　　我們在做這個實驗的時候，還意外地發現了一件很有趣的事情，就是在珍珠母的變形過程當中，它存在負泊松比效應。什么叫負泊松比效應？看看這幅圖，就是說一根棍子，我在拉的過程當中，中間會變細，這個叫作泊松比效應。當我拉的時候中間變粗，這就叫作負泊松比效應。珍珠母在變形的某一階段它就存在這樣一種效應，而這種效應就導致了珍珠母在外力的作用下它可以體積吸收功率11倍，而降低它的變形功到40%。這樣就是珍珠母可以有更大的韌性和更大的變形能力。在所有的工程材料當中，大家都希望做出珍珠母來。做一個這個礦物橋一定能發到《SCIENSE》上，但是到現目前為止 ，工業上沒有任何一個人做出來。這也是一個遺憾。

　　通過這個事情我們也說明了一件事，什么呢？就是說生物的制造是非常好的一種制造。我們平時說的環境優良型制造，這些都是生物制造。現在我們人類的合成技術，比如說就是說陶瓷，高溫高壓都需要大量的耗能，但是你再耗能，怎么也合成不出礦物橋這樣的微結構。只有生物才做成了礦物橋這種結構。可以說是目前合成陶瓷界一個世界性的難題。這個難題希望在下面的有志的青年能夠來考慮。

　　好，我剛才講了陶瓷的有關于韌性的問題。我下面再講一個陶瓷的難題，叫作熱震。

　　熱震是什么？我先給大家一個基本的概念，比如說航天飛機，（圖）這個是近空間飛行器，這是美國的X37B。大家都知道這些飛機是什么呢？它是要飛到外太空去的，然后從外太空再回到地球上來。回到地球上來的時候，因為它的速度很高，都是十個馬赫左右，進來過后它會和大氣層摩擦產生熱，它能夠產生到大概2000℃到3000℃的高溫。這樣它就把表面這些東西全部燒蝕了。燒蝕就會造成什么一個問題呢？有可能導致材料的破壞，甚至飛機的瓦解，這就是熱震。

　　而熱震是陶瓷材料的一種特性，別的金屬材料沒有這個特性。其實熱震剛才說的比較高大上，熱震是什么，說白了就是煮雞蛋的時候，把它煮熟了拿起來丟到涼水里面，啪！雞蛋殼炸了，這就是熱震。還有大家的那個涼水杯，水杯比較涼，用開水倒進去，啪！水杯炸了，那就是熱震。那么熱震的本質是什么呢？就是當加載的速度很快，超過一個溫差的時候，它的強度一下就降下來了。比如像這幾幅圖，700℃嘣一下降到100℃，它當然就炸了。那么它的結果是什么呢？就是產生了裂紋。

　　剛才我們說到熱震是陶瓷材料的特征，是它的本性。那我們怎么把這種熱震這種克服掉？我們又回到我們煮雞蛋，大家注意到沒有？我們煮雞蛋的時候是煮熟了雞蛋，把雞蛋拿出來通過空氣再丟到水里炸了，熱震發生了。那我們通過這段空氣，它是并沒有發生熱震。對吧？而只是掉到水里面才發生熱震。那么也就是說作為一個介質，空氣是一個介質，水是一個介質，這兩個介質之間一定存在著某種東西讓雞蛋不會發生熱震。那是什么？那就是我們稱為表面熱阻，就是說空氣的表面熱阻。實際上比水里面的，表面熱阻大得多。那好了，我要克服熱震，我就自然就想到：如果我把陶瓷表面附上一層空氣，我就讓空氣粘到這上面，那它是不是就不熱震了呢？

　　那我們就開始向自然學習。實際上這種結構是有的，你們所想到的，其實自然界都有，只不過是你沒有發現它是有的。

　　第一，我們先說植物。植物那就是荷葉。大家知道荷葉也有一種效應，叫作疏水效應。什么叫疏水效應呢？我們最直接的是把荷葉取下來，楞把它放到水里，塞到水里面去，你會發現是荷葉的表面一片銀色。對吧！那個是什么？那個就是在荷葉的表面和水之間沉積了一層空氣。就像這個亮的這個，它里面是一層空氣。那我們再看看荷葉面上的蜻蜓。其實蜻蜓它也是疏水的。下雨的時候所有的動物，有幾個在外面？只有蜻蜓可以在雨中飛翔，對吧！為什么？它也是超疏水。具體是怎么回事呢？荷葉實際上它的表面是一種圖上那種分級式結構，這種納米結構就是不停地分級，這樣造成了水滴上去過后（科學上叫做水接觸角），這個水接觸角越大，表示它的疏水性越好。荷葉可以達到160°的疏水角，它是一種超疏水的。所以現在建筑物、運輸工具這些都希望用這種結構。為什么呢？如果你想它是自清潔的。我們房子——高層建筑，一下雨就把它沖得干干凈凈，就用不著人工去洗了。對不對？汽車，你們家的汽車不用洗，只要一下雨開出去，它自動就把它洗干凈了。對吧！這實際上就是一個應用得非常好的前景，現在大家都正在做。

　　另一個就是蜻蜓，蜻蜓的結構和荷葉稍有不同，它是一種隨機的這種結構。而這種隨機的結構，它的疏水效應更好，它水接觸角可以達到173°。那好了，我們找到了這種生物里面的東西，下面我們就該仿生了。我們就在我們的材料表面——陶瓷表面，你看我們陶瓷原來是大概是70°的疏水角。我們就做仿生，做出了像剛才蜻蜓表面一樣的，這個表面水接觸角能夠達到120°。當然和蜻蜓的表面那是沒法比，它是自然的天然的，我們要向它學習，我們一直要向它學習。對吧！不管怎么說，它是一種超疏水結構。有這種表面的陶瓷，再也不會發生熱震了。它就平平的走過去，就隨便的上升了幾千度，它也不會發生熱震了。而其機理在于什么呢？就是在于我們在它的表面通過這個仿生的方法，附著作用了空氣。這種空氣導致我們提高了表面熱阻5000倍。

　　所以說通過這個例子，我們也可以看到，我們人類仿生，并不是機械的去只是形式上的做仿生。因為我們人類是有智慧的，我們人類是可以通過我們的智慧提升生物的這種結構的功能。就是說你原來是做疏水的，我可以把你提升來防熱。

　　最后，我們可以這樣說大自然的生物，它經歷了億萬年的進化，獲得了與其生存相適應的狀態和功能，這些都值得我們人類懷著崇敬的心理去學習它。第二，我們仿生它不能只停留在形式上，而是要將這個人類的智慧和大自然的智慧結合在一起。這樣創造出更加璀璨的人類文明。

　　謝謝大家！

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