矿物质和蛋白质是构成自然界中生物材料的主要成分，但是矿物质和蛋白质两种物质本身的断裂强度和韧性都非常低，比如我们人体的组织，皮肤是由蛋白质构成的，它摸起来十分柔软，而牙齿和骨头这种单纯的矿物质通常都非常的脆。这些个体并不“结实”的材质组合在一起时，却能形成刚度、强度和韧性都好的坚固“材料”，承担着自然界给予它的各种载荷。
材料学家曾进行了大量的实验对这种“材料”进行仿制。他们用化学的方法模拟生物环境，合成了一些仿生复合材料。但这些合成的仿生材料的力学性能与天然材料相比要差很多。比如，合成的仿贝壳材料虽然具有与天然贝壳相当的断裂韧性，但是刚度和硬度要比天然的贝壳材料低很多。仿生骨的刚度和强度也远低于天然骨的力学性能。人类科技可以使航天飞机直达深空，但是在一枚小小的贝壳面前，却显得力不从心。
大自然是怎样用机械性能非常差的原料，合成强度和韧性都非常高的生物复合材料呢？这曾经是一个困扰材料学界的谜题。而北京市科技新星获得者北京理工大学教授正是从事这一研究工作的科学家之一。