仿生材料 前途無量

在材料科學領域，許多發明和成果的最初靈感，都來自大自然中某些生物的啟示，這就是通常所謂的仿生材料。例如，廣為人知的“蓮花效應”，就是人們從荷葉表面的某些特性發現的——荷葉的表面有許多微小的乳突，讓水不能在上面停留；水滴形成后會從荷葉上滾落，同時將灰塵帶走。受此啟發，人們發明了自潔窗戶和先進的外墻涂料。

又如，研究發現，海洋生物烏賊和斑馬魚天生有一種改變自身顏色的能力，這是由它們體內的色素細胞決定的。受此啟發，人們最終發明了一種“電致變色聚合物”的纖維，它可依據所施加的電場改變顏色。

之所以具有這種功能，是因為它的化學鏈中的電子可以吸收不同波長的光線。因此，在將電線與一組蓄電池連接后，這種纖維織物的每個交叉點都將變成一個如同電視或電腦屏幕上的小光點，即像素。穿上用它制成的服裝，人們就可以根據自己的心情和所處環境的需要，通過微型開關來調控服裝的顏色，使自己與周圍環境的色彩融為一體，所以這種服裝又被稱作“變色龍”服裝。如果用它制成軍服或帳篷，就可以使前線的士兵完全“消失”在背景里。

最近，科學家又將目光投向了蠶繭。英國牛津大學的戴維·波特等人研究了蠶繭的結構，發現它那質輕、強韌、多孔的特性不僅可以保護蠶蛹不受外界威脅的傷害，而且作為理想的參照物，可據此開發出先進的“仿生復合材料”，用來制造防護性頭盔和輕型裝甲，這對于那些經常遭遇路邊炸彈等爆炸物威脅的人群來說，無疑可以起到減少傷亡、挽救生命的作用。同時還可以開發出用于汽車外殼的防沖撞新材料，增強汽車的安全性。

與此同時，一種名為“螳螂蝦”的甲殼綱動物也引起了科學家的興趣。這種小動物既非螳螂也非蝦，只是因為長相相似而得名。螳螂蝦以蝸牛、螃蟹等動物為食，能用鉗子般的前螯擊碎它們的外殼，力度高達500牛頓。

美國哈佛大學的詹姆斯·韋弗等人研究發現，螳螂蝦進化出了很特別的身體結構，如它那復雜的復眼能看到從紫外線到紅外線的各種光線。更令人驚奇的是，它的螯里面有一種比現有合成材料更牢固和堅韌的多重結構，每個都能抵御災難性破損；即使它的螯在雨點般的敲擊后受損，其身體也會安然無恙。

通過納米級的剖析，研究人員進一步發現，螳螂蝦的螯之所以具有極強的抗撞擊能力，還因為它的體內有3種礦物成分和功能各不相同的區域：其一是在準備出擊時，螳螂蝦會把螯團成一個大頭棒，其厚度是相鄰附器的5倍。第二個區域叫撞擊區，也就是螯的外層，它含有羥磷灰石，這種薄薄的物質也出現在脊椎動物的骨骼和牙齒中，厚度只有50～70納米。通常情況下，這樣的薄層很容易碎裂，但它下面有一層脫乙酰幾丁質，可以分散撞擊力并防止裂痕擴散。第三個區域分布在螯的側面，硬度更低一點，有助于進一步分散撞擊力。正是靠著這種特殊的三叉結構，螳螂蝦的螯堅韌無比。

模仿這種構造，有可能幫助人們研制出更好的防彈服——目前的防彈復合材料主要使用硅酸鹽、玻璃纖維、特富龍和橡膠，其性能遠不如螳螂蝦的天然材料。除了可用作防彈服外，這種多層生物復合材料還可用來制造多種其他高強度有機混合材料，如工業陶瓷等，或者為它們的研發提供重要借鑒。

仿生材料領域取得的累累碩果，正在改變因成本不斷上漲和原材料日益稀缺而陷入困境的某些行業，其發展前景十分看好。