季葆华:把生物复合材料变得更“结实”

2011-7-04 11:22 来源: 北京科技报
收藏到BLOG
大自然创造了高强度材料,而科学家们难以模仿

  矿物质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。

不畏困难,上路寻找“结实的”生物复合材料

  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。

  1998年获得西安交通大学涡轮发动机专业博士学位后,季葆华到中国科学院力学研究所在王自强院士课题组做博士后研究。2001年又前往德国马普学会金属研究所进行了为期三年的研究和学习。在高华健教授的启发和指导下,季葆华在生物材料的力学和仿生设计方面取得了突破性进展。回国后,他又相继任职于清华大学和北京理工大学,一直坚持着关于仿生力学、骨力学,细胞与分子力学等方面的研究。

  季葆华介绍说,开始做生物纳米复合材料研究时,是生物学家利用透射电镜和小角度X光散射装置观察发现,天然生物材料的最小的微结构总是在纳米尺度,他们对这种微结构为何如此之小的问题感到很困惑,于是就找到了我们。

找到端倪,发现材料坚固的秘密

  经过长期的分析,终于发现了一些端倪。季葆华告诉记者,在宏观尺寸下如果材料有缺陷,缺陷附近的应力就会非常大。但是,当减小材料的尺寸到临界尺度时(临界尺度因材料不同而不同),应力就完全均匀了(应力是单位面积上的内力)。当应力分布不均匀时,材料就容易在受力大的地方发生断裂。而应力变得均匀就意味着,材料不易发生断裂。

  当材料的尺度达到或小于一个临界尺度时,经典断裂力学的概念不再适用。也就是说,在纳米尺度下,结构的断裂强度得到最大程度的优化,并且对材料的缺陷,比如裂纹等不再敏感。所以他们由此推断,生物材料结构的纳米尺度是生物进化过程中材料强度优化的结果,这也是它们天生坚固的秘密。

  季葆华向记者介绍,因为材料的破坏,是由裂纹的不断扩展造成的,但是裂纹的扩展需要能量。这种能量在宏观尺度的材料中是可以容易获得的,但是当材料的结构小到纳米的尺度后,材料中所含的能量便不足以支撑裂纹的产生,那么已有的裂纹将不会继续扩展,材料的强度便大大提高了。这个缺陷不敏感的创新性理论发表在美国科学院院刊 《PNAS》上,并入选了封面文章。

最难的事情就是形成一个创新思维

  做科学,就意味着艰辛和付出。但是当记者问起季葆华在研究过程中最大的挑战和困难是什么的时候。他却给出一个意想不到的答案,“最难的事情其实就是形成一个创新的思维。”

  根据传统的科学理论,材料如果有缺陷,那么它的强度就会随之降低。所以,在缺陷不敏感理论被发现之前,这种思想就像每天呼吸的空气一样,被人们视为自然而且理所应当。

  俄罗斯化学家门捷列夫发现化学元素周期表,被世人解读成得益于他的一场梦。虽然这个故事的真假不得而知。但是在科学的世界中,所有的发现没有捷径,只有依靠持续不断的努力。

  为了找到问题的答案,季葆华与合作导师高华健教授打破传统理论束缚,列出了所有可能的力学机理及其数学模型,并用严格的理论分析一一验证。在经过几次的建模和否定的过程后,终于发现了裂纹尖端的应力分布随尺寸减小呈现均匀的现象。他们抓住这个线索开始了深入的研究,最终建立了缺陷不敏感理论。

  这一研究成果对于人工合成超强仿生材料将会有革命性的指导意义。比如在航天飞机的材料设计上。一条小小的裂纹就可能造成一次飞行任务的惨重失败。如果未来能将这个理论付诸于实际,即便在材料内存在裂纹,也不会对飞机结构强度产生太大的影响。

  “缺陷不敏感理论的提出,并不是这项研究的终点。”季葆华说,目前,缺陷不敏感的特性只存在于结构尺度很小的材料。但是未来,我们希望将这种特性延伸到结构尺度大的材料中。这就需要借助多级结构设计,让材料在很大的结构尺度下,也对缺陷不敏感。这个推论虽然已经在理论阶段得到证明,但我们今后的目标就是用实验来证明它。并让这个理论真正造福人类。