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這個自然界最強材料，制造出了一種新的高強度復合材料

文章來源：賢集網更新時間：2023-05-19 14:14:40

大自然能夠生產出具有驚人強度的材料，蜘蛛絲就是最有名的例子之一。

蜘蛛絲確實是以高強度、高韌性而著稱的生物材料，它的抗拉強度可達2.9GPa，理論上一根鉛筆粗細的蜘蛛絲甚至可以吊起一輛重型卡車！這比鋼鐵絲還要堅硬。當你正驚嘆于蜘蛛絲的超高強度以及你小時候的夢想可能實現的時候，科學家告訴你，帽貝牙齒比蜘蛛絲更結實，其抗拉強度達到4.9GPa。小小的帽貝為什么能有這么堅韌的牙齒呢？這與它們的生存環境息息相關。

帽貝是什么？

帽貝屬于腹足綱，是軟體動物，與蝸牛、海螺屬于同一類。它們經常出現在世界各地礁石海岸的潮間帶，但在深海、陸地的不同環境中也能看到它們的身影。

帽貝的常見種類有真帽貝、透孔帽貝、假帽貝和拖鞋帽貝等。大多數帽貝體型較小，最大的帽貝達10厘米寬。

帽貝有帽子狀的殼，能極好地附著在海岸線的巖石上。這種沿海生活方式的一部分包含了在崎嶇不平的表面上刮擦它們的牙齒以收集藻類為食，這正是這種生物具有無與倫比的抗拉強度的秘密所在。

牙齒在自然界中最堅固

帽貝這種軟體動物，居然能在堅硬的巖石上刻出凹痕，并在巖石表面刮取海藻食用。一直以來，人們并不清楚其中的原因。

后來，經過科學研究發現，帽貝的牙齒雖然只有1mm，而且是彎曲的形狀，但它的強度達到了6.5GPa，是目前已知的自然界中強度最高、最堅固的天然生物材料。這意味著其成分甚至可以用來做防彈衣。

那么，帽貝的牙齒為什么如此堅固呢？根據科學家們采用原子力顯微鏡的觀察結果發現，帽貝的牙齒是由具有韌性的幾丁質和富含鐵元素的針鐵礦納米纖維所形成的復合結構組成。這種復合結構，彈性好，可恢復原形，非常的堅韌。

科研人員表示，如果能在實驗室仿制帽貝牙齒中的纖維狀結構，那將會造出一種超強且輕的物質，可用于車、船以及飛機機體等高性能工程應用領域。

環境決定功能

研究人員發現，之所以帽貝的牙齒具有如此完美的力學性能，是因為帽貝牙齒是一種包括具有韌性的幾丁質（又稱為甲殼素）和具有剛性的富含鐵元素的針鐵礦納米纖維所組成的復合材料。擁有這種堅固牙齒的帽貝，才可以牢牢地吸附在巖石表面“干飯”。這種天然的高強度材料綠色環保，為取代人工合成材料提供了可能。來自英國的樸茨茅斯大學藥學院和生物醫學科學學院的Dariusz C. Górecki教授團隊已經成功地模擬了帽貝牙齒的形成，并且根據帽貝牙齒的材料制造出一種新的高強度復合材料。相關成果以“Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth”為題，發表在Nature Communications期刊上。

研究員Rumney在培養細胞的過程中發現，細胞將酶釋放到周圍的液體中，促進氧化碳沉積到幾丁質上，使幾丁質得到礦化，從而變得非常堅韌。然而，由此方法制備的材料盡管與帽貝牙齒非常相似，但纖維排列和針鐵礦晶體尺寸的微小差異導致其強度無法比及帽貝牙齒。

Górecki教授表明，雖然自己培養制造的材料與天然帽貝牙齒無法相比，但仍證明了通過該實驗過程可以獲得具有與帽貝牙齒相似特性的材料。傳統的實驗室中合成針鐵礦需要在強酸加熱下進行，并且整個過程需要三天之久。相比之下，Rumney的方法雖需要兩周時間，但可以在14℃和中性pH環境下工作。研究員表示，這種方法可以在海水溫度下生產類帽貝牙齒材料并且對環境友好。Gorecki教授團隊還分析研究了細胞的遺傳活性，從而縮小所涉及的酶的范圍。如果這項實驗獲得成功，那么這些用于催化的酶就可以進行工業生產，從而使材料的制造變得更快更便捷。雖然目前制造的樣品只有半厘米的寬度，但為了進一步擴大規模，該團隊目正試圖采用揮發性更低的溶劑制造幾丁質纖維，并開發合作以創建更大的規模。

此外，甲殼素被認為是自然界中僅次于纖維素的第二豐富的多糖，廣泛地存在于海洋甲殼類動物的殼中，生物圈每年能產生十億噸。據估計，每年約有100萬噸含有甲殼素的蝦、蟹等被作為海洋廢物丟棄，研究員Rumney希望這些材料可以被充分利用，以作為高強度、高韌性材料的來源。

這種具有極強強度的新型復合生物材料可能會在合成材料領域占據一個重要位置。如果該團隊能成功地擴大這一過程，它則可以為凱夫拉纖維和塑料等材料提供一個更可持續的替代物，而這些材料的生產是資源密集型且不那么容易被回收的。

Rumney指出：“像凱夫拉這樣的全合成復合材料被廣泛使用，但其制造過程可能是有毒的、材料難以回收且價格昂貴。在這里，我們有一種材料，就其來源和制造方式而言，它可能更具有可持續性并且在其壽命結束時可以進行生物降解。”

研究人員現在正將注意力轉向優化該工藝并將其擴大到以大規模生產所需的規模來生產合成帽貝牙齒。

“我們的下一步是找到讓鐵形成的其他方法，所以我們正在研究帽貝細胞的分泌物以更好地了解這一點，”Rumney說道，“如果效果真的很好，那么我們已經有了器官的基因讀數，所以我們可以把感興趣的基因提煉出來并希望把它們放入細菌或酵母中從而讓它們規模化生長。顯然，我們現在有一個海洋中的塑料危機，我認為這是一個很好的對稱，我們可以從一種海洋生物中學習如何通過用生物替代品取代塑料的使用來更好地保護它們。”

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_526839.html
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