從人骨的微觀結(jié)構(gòu)談起

工程材料科學(xué)家最關(guān)心材料的服役壽命，也就是材料的韌性。即使強度再高，但經(jīng)不住瞬時沖擊或者長時間的環(huán)境條件侵蝕，是不能作為工程材料使用的。

人們發(fā)現(xiàn)自身的骨骼便具有驚人的斷裂韌性。我們每天走路、奔跑、跳躍，不斷地給骨骼施加強大的沖擊力，對于運動員來說強度和負(fù)荷更加大。為何骨骼具有如此優(yōu)異的抗沖擊性能？其實，大多數(shù)動物骨骼的內(nèi)部都是由高度有序的有機和無機材料組裝起來的精細(xì)結(jié)構(gòu)，通過有機和無機材料的協(xié)同作用，骨骼可以快速有效地將外部沖擊能量吸收并釋放掉。

更深入地解析人骨的微觀結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)最底層的組織結(jié)構(gòu)單元是長為15微米直徑為60納米的膠原纖維，這個有機體中鑲嵌著長為幾十納米寬僅為3個納米的羥基磷灰石晶體；將顯微鏡倍數(shù)縮小，可以看到這些礦化的膠原纖維在微米尺度上組裝成厚為幾個微米的層狀結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步縮小放大倍數(shù)，原來這些微米尺度的層狀結(jié)構(gòu)都是圍繞著血管沿著骨骼的長軸方向定向排列。

加州伯克利分校的R. O. Ritchie教授最近報道了一種新穎的仿生無機有機復(fù)合材料。他們利用冰在特定溫度下能自組裝成層狀結(jié)構(gòu)這一特性，先將氧化鋁燒結(jié)成了多層的陶瓷材料，每層的厚度在5個微米左右。第二步就是往層間注入一種叫做聚甲基丙烯酸乙酯的高分子聚合物，這兩種材料非常好地“黏合”在一起。從微觀上來這似乎就是常見到的三合板。通過力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)這種由很脆的陶瓷和柔軟的高分子材料交替組合形成的材料，其韌性和強度可以和金屬鋁合金相媲美，斷裂能量吸收能力達(dá)到其組成材料的300倍以上！

從人骨這類的自然材料來看，多尺度多層次的微觀建構(gòu)才是未來材料發(fā)展的靈感之源，我們大可不必把科研的寶全壓在“納米”概念上。