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　　记者李晨阳

　　最新一期《科学》的封面上是一只馒头海星骨架的局部图片。扫描电镜下，密密麻麻布满一排排细小的方解石晶体。

　　这篇发表于《科学》年2月11日的论文，介绍了科学家在《自然》杂志上首次发现的这种神奇结构。它呈现原子和微米尺度的单晶结构。以人类现有的技术，是不可能重现这种材料的。

　　 “海星骨骼由多孔碳酸钙构成，这种物质的化学成分像粉笔一样易碎。但是我们看到的海星灵活而强壮。这是一种纯天然多孔轻质陶瓷材料，性能良好。”论文作者、弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授李玲告诉《中国科学报》。

　　 “疯狂”的海星

　　轻质而坚固的材料是汽车和航空航天制造等行业的理想材料。

　　在弗吉尼亚理工大学的生物和仿生材料实验室，李玲的团队正在研究天然轻质陶瓷结构。他们发现，大自然的设计永远比人类的创造力更疯狂。

　　以印度-太平洋地区常见物种馒头海星为例。它的骨架由无数直径只有几毫米的“小骨头”组成。这些小骨头与软组织相连，使馒头海星能够灵活移动。同时，每个小骨都是由细小而致密的微晶晶格组成。这种分支结构有点像迷你埃菲尔铁塔，精致、有序、复杂。

　　这件“艺术品”非常轻，其主要成分碳酸钙的密度只有2.7g/cm3。另外，其整个结构的一半是规则排列的孔，其整体平均密度与水相似(1g/cm3)。

　　碳酸钙是一种普遍存在且被忽视的材料。轻轻折断的白垩是由碳酸钙结晶方解石制成的。但是一种物质的性质在不同的结构下会有很大的不同。

　　 “海星的骨骼就像由方解石的单个晶体雕刻而成的周期性晶格。这种近乎完美的双尺度微晶晶格结构此前从未有过报道。”李玲说。

　　这种结构可以让海星在特定的方向加强骨骼，既灵活又牢固。令人惊奇的是，当微晶晶格破裂时，这种结构还能阻止裂纹进一步发展。

　　研究人员还注意到它的另一个特性：能量吸收。这个概念经常出现在汽车上，意思是在激烈的碰撞中，材料本身的断裂可以吸收一些动能来保护车内的乘客。根据计算，海星骨材料的吸能指数远高于常用的泡沫陶瓷。

　　然而，“遗憾的是，现有的人类技术还不足以复制这种材料”。李玲说。

　　李玲的团队用3D打印技术制作了一个立方体模型，可以让人直观地了解这种材料的内部结构，但它只是塑料而不是单晶。如果要制造陶瓷产品，可能会引入许多无法控制的微孔和裂纹。

　　李凌希望技术的进步和深入研究最终能提供一个理想的解决方案，让这个大自然的奇妙设计进入行业，造福人类。

　　从“海鲜”寻宝

　　李凌实验室是一个擅长从“海鲜”中寻宝的团队。他们的研究对象是海胆、鱼、贝类、乌贼、龙虾等等。

　　美国南部沿海各州的水产公司有时会向实验室出售海洋生物样本。

　　李玲至今清楚地记得，这项关于海星的工作是从一次电子显微镜观察实验开始的。那天，他带着一个博士生用扫描电镜观察不同种类海洋生物产生的多孔物质，发现了馒头海星奇特的结构。

　　 “海星是一种生长规律的小动物，馒头海星比其他海星生长规律。”李玲说。

　　他马上想到，以前的研究表明，海星的骨头在原子尺度上是单晶的，而馒头海星的骨头在微米尺度上似乎是单晶的。如果是双尺度单晶结构，那是自然界和人工制品中从未报道过的神奇结构，也是极具潜力和启发意义的结构。

　　海星没有辜负李玲的期望。

　　 “海洋是一个非常丰富的宝库。但如果前期没有很好的积累，我们无法从众多海洋生物中发现汕头海星的独特性。”李玲说，“科研人员需要有这种积累和敏感。”

　　除了馒头海星，这个研究团队还揭示了能抵抗深海高压的墨鱼骨、天生能咬开贝壳的黑鼓鱼牙、具有多种功能的海绵骨、学术界的“明星”海胆棘.他们还发现一些贝类有可成像的矿物眼。

　　 “海星等海洋动物向我们揭示了一个创新材料的世界，这对它们在捕食者猖獗的海底世界生存至关重要。”没有参与这项研究的弗吉尼亚理工大学地球科学系教授帕特里夏多佛(Patricia Dove)说，“研究这些结构潜在的机械工程特性，对尖端新材料的设计具有潜在的意义。”

　　 “这是一幅美丽的画”

　　李玲认为，这篇论文能上《科学》的封面，是因为“画得很美”。

　　 “它能让你欣赏大自然奇妙的对称美。首先，你可以在背景中看到表面光滑的微晶晶格结构。这就像一个极其规则的网格。然后可以看到后面实验中生长出来的碳酸钙小晶体。都排列得非常整齐，方向一致，对称性很高。正是这种复杂但高度有序的结构，使得原本脆弱的材料变得更轻、更坚固，对机械损伤的耐受性也很高。”

　　至于画面的蓝紫色调，李玲“只是调出来的”。

　　这篇论文的大部分作者，包括李玲，都来自中国。陈、贾子安、邓、陈等中国研究生均有贡献。

　　在李凌看来，这是一群聪明、勤奋、极具个性的年轻人，他很享受和他们一起做研究。同时，他也想尽自己的一份力量，引导他们在科研的道路上走得更远更稳。

　　李凌期待未来能带领这支年轻而充满活力的团队，向大自然学习，拓展人类的科技边界，研发更轻、更强、更精彩的新材料。

　　来源：中国科学杂志

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