大自然創(chuàng)造了高強度材料，而科學(xué)家們難以模仿
礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)是構(gòu)成自然界中生物材料的主要成分，但是礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)兩種物質(zhì)本身的斷裂強度和韌性都非常低，比如我們?nèi)梭w的組織，皮膚是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，它摸起來十分柔軟，而牙齒和骨頭這種單純的礦物質(zhì)通常都非常的脆。這些個體并不“結(jié)實”的材質(zhì)組合在一起時，卻能形成剛度、強度和韌性都好的堅固“材料”，承擔(dān)著自然界給予它的各種載荷。
材料學(xué)家曾進行了大量的實驗對這種“材料”進行仿制。他們用化學(xué)的方法模擬生物環(huán)境，合成了一些仿生復(fù)合材料。但這些合成的仿生材料的力學(xué)性能與天然材料相比要差很多。比如，合成的仿貝殼材料雖然具有與天然貝殼相當(dāng)?shù)臄嗔秧g性，但是剛度和硬度要比天然的貝殼材料低很多。仿生骨的剛度和強度也遠低于天然骨的力學(xué)性能。人類科技可以使航天飛機直達深空，但是在一枚小小的貝殼面前，卻顯得力不從心。
不畏困難，上路尋找“結(jié)實的”生物復(fù)合材料
大自然是怎樣用機械性能非常差的原料，合成強度和韌性都非常高的生物復(fù)合材料呢?這曾經(jīng)是一個困擾材料學(xué)界的謎題。而北京市科技新星獲得者北京理工大學(xué)季葆華教授正是從事這一研究工作的科學(xué)家之一。
1998年獲得西安交通大學(xué)渦輪發(fā)動機專業(yè)博士學(xué)位后，季葆華到科學(xué)院力學(xué)研究所在王自強院士課題組做博士后研究。2001年又前往德國馬普學(xué)會金屬研究所進行了為期三年的研究和學(xué)習(xí)。在高華健教授的啟發(fā)和指導(dǎo)下，季葆華在生物材料的力學(xué)和仿生設(shè)計方面取得了突破性進展。回國后，他又相繼任職于清華大學(xué)和北京理工大學(xué)，一直堅持著關(guān)于仿生力學(xué)、骨力學(xué)，細胞與分子力學(xué)等方面的研究。
季葆華介紹說，開始做生物納米復(fù)合材料研究時，是生物學(xué)家利用透射電鏡和小角度X光散射裝置觀察發(fā)現(xiàn)，天然生物材料的小的微結(jié)構(gòu)總是在納米尺度，他們對這種微結(jié)構(gòu)為何如此之小的問題感到很困惑，于是就找到了我們。
找到端倪，發(fā)現(xiàn)材料堅固的秘密
經(jīng)過長期的分析，終于發(fā)現(xiàn)了一些端倪。季葆華告訴記者，在宏觀尺寸下如果材料有缺陷，缺陷附近的應(yīng)力就會非常大。但是，當(dāng)減小材料的尺寸到臨界尺度時(臨界尺度因材料不同而不同)，應(yīng)力就完全均勻了(應(yīng)力是單位面積上的內(nèi)力)。當(dāng)應(yīng)力分布不均勻時，材料就容易在受力大的地方發(fā)生斷裂。而應(yīng)力變得均勻就意味著，材料不易發(fā)生斷裂。
當(dāng)材料的尺度達到或小于一個臨界尺度時，經(jīng)典斷裂力學(xué)的概念不再適用。也就是說，在納米尺度下，結(jié)構(gòu)的斷裂強度得到大程度的優(yōu)化，并且對材料的缺陷，比如裂紋等不再敏感。所以他們由此推斷，生物材料結(jié)構(gòu)的納米尺度是生物進化過程中材料強度優(yōu)化的結(jié)果，這也是它們天生堅固的秘密。
季葆華向記者介紹，因為材料的破壞，是由裂紋的不斷擴展造成的，但是裂紋的擴展需要能量。這種能量在宏觀尺度的材料中是可以容易獲得的，但是當(dāng)材料的結(jié)構(gòu)小到納米的尺度后，材料中所含的能量便不足以支撐裂紋的產(chǎn)生，那么已有的裂紋將不會繼續(xù)擴展，材料的強度便大大提高了。這個缺陷不敏感的**性理論發(fā)表在美國科學(xué)院院刊 《PNAS》上，并入選了封面文章。
難的事情就是形成一個**思維
做科學(xué)，就意味著艱辛和付出。但是當(dāng)記者問起季葆華在研究過程中大的挑戰(zhàn)和困難是什么的時候。他卻給出一個意想不到的答案，“難的事情其實就是形成一個**的思維。”
根據(jù)傳統(tǒng)的科學(xué)理論，材料如果有缺陷，那么它的強度就會隨之降低。所以，在缺陷不敏感理論被發(fā)現(xiàn)之前，這種思想就像每天呼吸的空氣一樣，被人們視為自然而且理所應(yīng)當(dāng)。
俄羅斯化學(xué)家門捷列夫發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素周期表，被世人解讀成得益于他的一場夢。雖然這個故事的真假不得而知。但是在科學(xué)的世界中，所有的發(fā)現(xiàn)沒有捷徑，只有依靠持續(xù)不斷的努力。
為了找到問題的答案，季葆華與合作導(dǎo)師高華健教授打破傳統(tǒng)理論束縛，列出了所有可能的力學(xué)機理及其數(shù)學(xué)模型，并用嚴格的理論分析一一驗證。在經(jīng)過幾次的建模和否定的過程后，終于發(fā)現(xiàn)了裂紋**的應(yīng)力分布隨尺寸減小呈現(xiàn)均勻的現(xiàn)象。他們抓住這個線索開始了深入的研究，終建立了缺陷不敏感理論。
這一研究成果對于人工合成超強仿生材料將會有**性的指導(dǎo)意義。比如在航天飛機的材料設(shè)計上。一條小小的裂紋就可能造成一次飛行任務(wù)的慘重失敗。如果未來能將這個理論付諸于實際，即便在材料內(nèi)存在裂紋，也不會對飛機結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生太大的影響。
“缺陷不敏感理論的提出，并不是這項研究的終點?！奔据崛A說，目前，缺陷不敏感的特性只存在于結(jié)構(gòu)尺度很小的材料。但是未來，我們希望將這種特性延伸到結(jié)構(gòu)尺度大的材料中。這就需要借助多級結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓材料在很大的結(jié)構(gòu)尺度下，也對缺陷不敏感。這個推論雖然已經(jīng)在理論階段得到證明，但我們今后的目標(biāo)就是用實驗來證明它。并讓這個理論真正造福人類。
