这种“疯狂”结构让海星灵活又坚固

■记者 李晨阳
登上最新一期《科学》封面的是一只馒头海星的骨骼局部图。在扫描电子显微镜下，其上密布着鳞次栉比的小方解石晶体。
这篇2月11日发表于《科学》的论文，介绍了科学家首次在自然界中发现的这种神奇结构，它在原子和微米双尺度上都呈现单晶结构。以人类现有技术，还无法复制出这种材料。
“海星骨骼是由多孔碳酸钙材料组成的，这种材料的化学成分与粉笔一样非常易碎。但我们看到的海星既灵活又强韧。这是一种纯天然、具有良好性能的多孔轻质陶瓷材料。”论文通讯作者、美国弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授李灵对《中国科学报》说。
“疯狂”的海星
轻盈、坚固的材料对汽车和航空航天制造等行业来说是理想的材料。
在弗吉尼亚理工大学生物和仿生材料实验室，李灵团队正在研究天然轻质陶瓷结构。他们发现，相比人类的创意，大自然的设计总是更加疯狂。
以馒头海星这一印度—太平洋地区的常见物种为例，其骨骼由不计其数的、直径只有几毫米的“小骨”组成。这些小骨与软组织相连，使馒头海星能够灵活运动。与此同时，每个小骨又由细密紧致的微晶格构成。这种分枝状结构有点像迷你的埃菲尔铁塔，精巧、有序、繁复。
这个“艺术品”非常轻巧，其主要组成成分碳酸钙的密度只有2.7g/cm3。再加上它的整个结构有一半是规则排列的孔洞，总体平均密度和水（1g/cm3）差不多。
碳酸钙是一种随处可见而且不被重视的材料。轻轻一掰就碎的粉笔，就是由碳酸钙结晶方解石构成的。但一种物质在不同结构下，性能也会极为不同。
“海星的骨骼就像用一整块方解石单晶雕刻出来的周期性晶格。这种近乎完美的双尺度微晶格结构此前从未被报道过。”李灵说。
这种结构让海星可以在特定方向上强化骨骼，既灵活又坚固。更神奇的是，在微晶格断裂时，该结构还能阻止裂纹进一步发展。
研究人员还注意到它的另一个性能：吸能。这个概念常常出现在汽车上，是指在激烈碰撞中，材料本身的破碎能吸收掉一部分动能，以保护车里的乘客。经测算，海星骨骼材料的吸能指标比现在常用的泡沫陶瓷高出许多。
然而，“很遗憾，人类现有技术还不足以复制这种材料”。李灵说。
李灵团队用3D打印技术制作了一个立方体模型，能让人们从视觉上了解这种材料的内部结构，但这只是塑料而不是单晶的。如果要制成陶瓷产品，可能会引入许多无法控制的微小气孔和裂纹。