“柔中带刚，博采众长“ —从海洋生物到钢筋铁骨，人类是否应该弯下腰向大自然学习？

来自香港城市大学吕坚院士以及加州大学伯克利分校的青年华人女性科学家曹珊博士和她的博士后导师Robert O. Ritchie 院士，经过六年的努力，发现海洋生物天生强韧的奥秘。他们通过研究海洋贝壳类生物的足丝，将这种材料结构通过仿生手段在工业材料不锈钢中实现，以此来提高钢的机械性能，实现在更复杂的环境中提高材料抗断裂性能和使用寿命。他们首次在全世界范围内提出“超纳仿生多级钢”概念，成功根据生物物理现象仿生设计出多级高强高纫超纳钢材料(Supra-Nano Hierarchical Steels)。且研制成功交错双相超级纳米多级结构，并从实验及理论角度证明了此种结构对于材料宏观力学性能的唯一性和独特性的贡献。此项研究获得了学界，工业界及美国媒体的广泛认可，并于日前被著名学术期刊《自然》杂志的科学报告频道收录和发布。近日，吕坚院，Ritchie 院士和曹珊博士又被美国著名杂志《新科学家》(《NewScientist》)的资深科学记者Liz Kalaugher采访和重点新闻报道。

无可厚非，大自然总是能给人类惊喜。你很难想象，被广泛应用的金属材料——不锈钢，添加上大自然的智慧，竟然会有令人意想不到的效果。来自加州大学伯克利分校的华人女性科学家曹珊博士和她的博士后导师 Robert O. Ritchie 院士，香港城市大学吕坚院士，通过研究海洋贝壳类生物的足丝，将这种材料结构通过仿生手段在工业材料不锈钢中实现，以此来提高钢的机械性能，实现在更复杂的环境中提高材料抗断裂性能和使用寿命。

图一 Ritchie院士，吕坚院士，曹珊博士（从左至右）

图二仿生多级钢设计概念示意图

模仿海洋生物来制备超强钢的想法来自曹珊博士与其导师Ritchie教授，吕坚教授和麻省理工的华人科学家道明博士以及弗吉尼亚大学李灵教授的频繁讨论。整个想法的灵感来自里奇教授在2011年由Nature Material发表的名为“强度与韧性之间的冲突”的论文。在该论文中，Ritchie教授介绍了数种不同的天然材料，这些材料“与生俱来“具有高强韧的特性。其中一种生物材料是珍珠质，通过深入研究珍珠质材料，曹珊博士和李灵博士发现与珍珠质连接的足丝材料(Byssus)十分特别，它的功能是将珍珠质层固定在岩石上以保护它免受海浪的冲刷。为了实现这种功能，这种足丝材料必须非常可靠，可靠到要每天经历数百次的海水的“攻击”。这种材料在大自然中不断进化，经过数千年的洗礼，必须拥有很高的强度和韧性。这就是为什么曹珊博士等科学家决定将足丝Byssus“复制”到他们的钢材上，并且通过吕坚教授发明的SMAT(Surface Mechanical Attrition Treatment) 技术完美的实现了精确的结构控制。令人惊讶的是，此结果非常令人满意：这种钢（我们称之为“Bio-inspired Hierarchical Steels”）具有非凡的机械性能优势。从结构上来讲，这种材料具有交错双相超级纳米多级结构，与大自然界的多级材料不谋而合，且从某种程度上首次证明了仿生材料的工业应用的可靠性。 与此同时，这种特殊结构对于材料宏观力学性能的唯一性和独特性的贡献，为科学家们后续研究仿生结构材料奠定了基础。此外，这种仿生多级钢的应用是多种多样的，例如在生物医疗设备中，因其高强高纫抗断裂，抗疲劳腐蚀以及使用寿命长的特性，这种海洋生物启发的纳米材料可作为心脏搭桥植入手术的支架（Heart stent）材料，达到大幅降低医疗成本，改善患者体验的目的。与此同时，在工业生产中，还可以用在航空飞机发动机和核燃料棒材料等。惊喜的是，此研究成果在 Nature.com 上线后，在上线短短三周内突破全文阅读下载量突破四位数，被著名科研网 Researchgate.com 重点推荐，评为“Most Read Award”。改论文受到国外专家广泛的关注和赞誉，来自Toyohashi University of Technology 大学的校长日本著名科学家 Professor Toshiro Kobayashi评价为“创新而令人印象深刻的有趣科学工作。”与此同时，此项研究引起了美国著名杂志《NewScientist》记者的兴趣和注意，特别采访了Ritchie 院士和曹珊博士，且另加篇幅对此项研究做出新闻报道。我们相信这种仿生多级钢将成为开发新功能结构材料的先驱。

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

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