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辽宁日报/2007 年/5 月/5 日/第004 版 访谈 从贝壳中得到的启示 ——访中国科学院力学研究所研究员宋凡 本报记者 刘洪宇 背景：我们羡慕鸟儿，更要用我们的智慧向鸟儿学习“飞”；我们羡慕鱼儿，更要研究它的 “游”……从大自然的杰作中得到启示、寻找真理，自古有之，也正是人类的聪明之处。自然界 生物的神奇来自于亿万年的选择进化、优胜劣汰。例如尽管贝壳的基本组成单元很平常，只是碳 酸钙和磷酸钙等最常见的材料，但因为有了适应其环境及功能需要的结构组装，所表现出的材料 性能是传统人工合成材料无法比拟的。科技发展到今天，我们就是要深入探讨这种微结构，这种 探讨就是仿生学。 大自然是向每一个国家、每一位科研人员敞开的。仿生学作为一门正在迅速发展起来的新兴 交叉学科，其在工业设计、提高计算能力和开发新型医疗仪器设备等方面有着广阔的应用前景。 我国当前优先发展的高新技术产业化重点领域共有141 个方面，其中有30 个领域与仿生学有关。 例如光传输系统、生物医学材料及人造器官等，可以说仿生学研究和仿生科技的发展将直接影响 我国的科技水平和产业发展。面对这样一个自然宝库，加强仿生学研究成为一种必然选择。 小贝壳也有大功能，贝壳的坚韧性是人工合成碳酸钙材料的上千倍 记者：贝类常见，贝壳在海边更是随处可见，由于形态各异而受到我们的喜爱，而在科学界 把贝壳作为一种研究对象，到底贝壳哪些地方值得我们关注？ 宋凡：不要小瞧了贝壳，小贝壳也有大功能。正是这些贝壳给现代科学研究带来了许多深刻 启示！贝壳的形貌包含着许多的几何曲线，如我们熟悉的各种螺旋线等，这些曲线极大地丰富了 数学家的研究视野。同时，其形貌也给建筑学家的设计思想以极大的启迪，成为现代建筑设计模 仿的重要目标，于是有了大跨度薄壳式建筑，如著名的悉尼歌剧院。这种建筑，既消除应力特别 集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。这些仅仅是人类领略贝壳神奇的开始，当注意 到贝壳内部的微结构以及由此所产生的材料性能时，科学家们更是惊叹不已。 记者：到底发现了什么神奇之处？ 宋凡：我们常会有这样的经验，折断一根粉笔比折断一块贝壳容易得多。从化学成分上来说， 粉笔和贝壳都是由碳酸钙晶粒构成的。但在力学性能上，两者不可同日而语。同样由碳酸钙构成， 差距为什么这么大呢？首先要从两者的形成上认识：粉笔属于人工合成材料，贝壳却是由某些软 体动物通过吸收水中的钙粒子进行生物矿化后，生长出来的天然合成材料。就是说，制作过程不 同：贝壳的制作过程有生命系统的参与。有人要问，“天然合成”就能合成出好东西吗？是的， 借助现代科学手段，科学家发现了两者微结构的巨大差别：贝壳中碳酸钙晶粒有着特殊的有序排 列，而粉笔中的碳酸钙晶粒排列是一种无序结构。 记者：这种内部的“有序排列”是贝壳坚韧的根本原因吗？请您给我们详细介绍一下。 宋凡：贝壳作为软体动物的防护装备，主要功用是抗压，防止壳体受损，以致伤及身体。到 目前为止，在科学家们已经研究过的上百种贝壳中，共发现了7 种贝壳微结构，即柱状珍珠母结 构、片状珍珠母结构、簇叶结构、棱柱结构、交叉叠片结构、杂交叉叠片结构和均匀分布结构。 在上世纪的70 年代，英国雷丁大学的J ·D ·Currey 教授和他的合作者们对这7 种微结构的力学 性能进行了较为系统的实验研究，结果发现，珍珠母作为一般贝壳中最内层材料，它的力学性能 是这7 种结构中最好的，尤其在材料的强韧性上表现最为突出。例如，珍珠母所具有断裂功大约 第1 页 共5 页 是作为它基本成分的碳酸钙晶体的断裂功的 3000 倍。这一卓越的力学性能，使得珍珠母结构成 为现代高性能人工合成材料微结构设计的仿生目标，也使得研究珍珠母的微结构和性能成为当今 世界材料仿生设计研究中的一个热点问题，而被誉为“生物矿化研究领域的皇冠上的明珠”。 事实上，我们对珍珠母并不陌生，我们平常见到的那些美丽可爱的珍珠，其构成材料就是珍 珠母，或者说，珍珠母就是产生珍珠的母体和材料。珍珠母是一种由有机基质，包括多糖和蛋白 质为基体、文石晶片形成增强相的两相间的层状复合材料，其微结构是由一些小平板状结构的文 石晶片单元平行累积而成。这些小平板板面平行于贝壳壳面，就像建筑物墙壁的砖块一样相互堆 砌镶嵌、