“柔中帶剛，博采眾長“ —從海洋生物到鋼筋鐵骨，人類是否應該彎下腰向大自然學習？

來自香港城市大學呂堅院士以及加州大學伯克利分校的青年華人女性科學家曹珊博士和她的博士后導師Robert O. Ritchie 院士，經過六年的努力，發現海洋生物天生強韌的奧秘。他們通過研究海洋貝殼類生物的足絲，將這種材料結構通過仿生手段在工業材料不銹鋼中實現，以此來提高鋼的機械性能，實現在更復雜的環境中提高材料抗斷裂性能和使用壽命。他們首次在全世界范圍內提出“超納仿生多級鋼”概念，成功根據生物物理現象仿生設計出多級高強高紉超納鋼材料(Supra-Nano Hierarchical Steels)。且研制成功交錯雙相超級納米多級結構，并從實驗及理論角度證明了此種結構對于材料宏觀力學性能的唯一性和獨特性的貢獻。此項研究獲得了學界，工業界及美國媒體的廣泛認可，并于日前被著名學術期刊《自然》雜志的科學報告頻道收錄和發布。近日，呂堅院，Ritchie 院士和曹珊博士又被美國著名雜志《新科學家》(《NewScientist》)的資深科學記者Liz Kalaugher采訪和重點新聞報道。

無可厚非，大自然總是能給人類驚喜。你很難想象，被廣泛應用的金屬材料——不銹鋼，添加上大自然的智慧，竟然會有令人意想不到的效果。來自加州大學伯克利分校的華人女性科學家曹珊博士和她的博士后導師 Robert O. Ritchie 院士，香港城市大學呂堅院士，通過研究海洋貝殼類生物的足絲，將這種材料結構通過仿生手段在工業材料不銹鋼中實現，以此來提高鋼的機械性能，實現在更復雜的環境中提高材料抗斷裂性能和使用壽命。

圖一 Ritchie院士，呂堅院士，曹珊博士（從左至右）

圖二仿生多級鋼設計概念示意圖

模仿海洋生物來制備超強鋼的想法來自曹珊博士與其導師Ritchie教授，呂堅教授和麻省理工的華人科學家道明博士以及弗吉尼亞大學李靈教授的頻繁討論。整個想法的靈感來自里奇教授在2011年由Nature Material發表的名為“強度與韌性之間的沖突”的論文。在該論文中，Ritchie教授介紹了數種不同的天然材料，這些材料“與生俱來“具有高強韌的特性。其中一種生物材料是珍珠質，通過深入研究珍珠質材料，曹珊博士和李靈博士發現與珍珠質連接的足絲材料(Byssus)十分特別，它的功能是將珍珠質層固定在巖石上以保護它免受海浪的沖刷。為了實現這種功能，這種足絲材料必須非常可靠，可靠到要每天經歷數百次的海水的“攻擊”。這種材料在大自然中不斷進化，經過數千年的洗禮，必須擁有很高的強度和韌性。這就是為什么曹珊博士等科學家決定將足絲Byssus“復制”到他們的鋼材上，并且通過呂堅教授發明的SMAT(Surface Mechanical Attrition Treatment) 技術完美的實現了精確的結構控制。令人驚訝的是，此結果非常令人滿意：這種鋼（我們稱之為“Bio-inspired Hierarchical Steels”）具有非凡的機械性能優勢。從結構上來講，這種材料具有交錯雙相超級納米多級結構，與大自然界的多級材料不謀而合，且從某種程度上首次證明了仿生材料的工業應用的可靠性。 與此同時，這種特殊結構對于材料宏觀力學性能的唯一性和獨特性的貢獻，為科學家們后續研究仿生結構材料奠定了基礎。此外，這種仿生多級鋼的應用是多種多樣的，例如在生物醫療設備中，因其高強高紉抗斷裂，抗疲勞腐蝕以及使用壽命長的特性，這種海洋生物啟發的納米材料可作為心臟搭橋植入手術的支架（Heart stent）材料，達到大幅降低醫療成本，改善患者體驗的目的。與此同時，在工業生產中，還可以用在航空飛機發動機和核燃料棒材料等。驚喜的是，此研究成果在 Nature.com 上線后，在上線短短三周內突破全文閱讀下載量突破四位數，被著名科研網 Researchgate.com 重點推薦，評為“Most Read Award”。改論文受到國外專家廣泛的關注和贊譽，來自Toyohashi University of Technology 大學的校長日本著名科學家 Professor Toshiro Kobayashi評價為“創新而令人印象深刻的有趣科學工作。”與此同時，此項研究引起了美國著名雜志《NewScientist》記者的興趣和注意，特別采訪了Ritchie 院士和曹珊博士，且另加篇幅對此項研究做出新聞報道。我們相信這種仿生多級鋼將成為開發新功能結構材料的先驅。

原文鏈接：

《NewScientist》報道： https://www.newscientist.com/article/mg23931970-100-hacking-natures-coolest-inventions-to-create-the-perfect-metal/

呂堅教授實驗室：http://www.cityu.edu.hk/vprt/prof-jianlu-bio.htm

曹珊博士主頁：shancaocecilia.wixsite.com/research

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。