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这个自然界最强材料，制造出了一种新的高强度复合材料

文章来源：贤集网更新时间：2023-05-19 14:14:40

大自然能够生产出具有惊人强度的材料，蜘蛛丝就是最有名的例子之一。

蜘蛛丝确实是以高强度、高韧性而著称的生物材料，它的抗拉强度可达2.9GPa，理论上一根铅笔粗细的蜘蛛丝甚至可以吊起一辆重型卡车！这比钢铁丝还要坚硬。当你正惊叹于蜘蛛丝的超高强度以及你小时候的梦想可能实现的时候，科学家告诉你，帽贝牙齿比蜘蛛丝更结实，其抗拉强度达到4.9GPa。小小的帽贝为什么能有这么坚韧的牙齿呢？这与它们的生存环境息息相关。

帽贝是什么？

帽贝属于腹足纲，是软体动物，与蜗牛、海螺属于同一类。它们经常出现在世界各地礁石海岸的潮间带，但在深海、陆地的不同环境中也能看到它们的身影。

帽贝的常见种类有真帽贝、透孔帽贝、假帽贝和拖鞋帽贝等。大多数帽贝体型较小，最大的帽贝达10厘米宽。

帽贝有帽子状的壳，能极好地附着在海岸线的岩石上。这种沿海生活方式的一部分包含了在崎岖不平的表面上刮擦它们的牙齿以收集藻类为食，这正是这种生物具有无与伦比的抗拉强度的秘密所在。

牙齿在自然界中最坚固

帽贝这种软体动物，居然能在坚硬的岩石上刻出凹痕，并在岩石表面刮取海藻食用。一直以来，人们并不清楚其中的原因。

后来，经过科学研究发现，帽贝的牙齿虽然只有1mm，而且是弯曲的形状，但它的强度达到了6.5GPa，是目前已知的自然界中强度最高、最坚固的天然生物材料。这意味着其成分甚至可以用来做防弹衣。

那么，帽贝的牙齿为什么如此坚固呢？根据科学家们采用原子力显微镜的观察结果发现，帽贝的牙齿是由具有韧性的几丁质和富含铁元素的针铁矿纳米纤维所形成的复合结构组成。这种复合结构，弹性好，可恢复原形，非常的坚韧。

科研人员表示，如果能在实验室仿制帽贝牙齿中的纤维状结构，那将会造出一种超强且轻的物质，可用于车、船以及飞机机体等高性能工程应用领域。

环境决定功能

研究人员发现，之所以帽贝的牙齿具有如此完美的力学性能，是因为帽贝牙齿是一种包括具有韧性的几丁质（又称为甲壳素）和具有刚性的富含铁元素的针铁矿纳米纤维所组成的复合材料。拥有这种坚固牙齿的帽贝，才可以牢牢地吸附在岩石表面“干饭”。这种天然的高强度材料绿色环保，为取代人工合成材料提供了可能。来自英国的朴茨茅斯大学药学院和生物医学科学学院的Dariusz C. Górecki教授团队已经成功地模拟了帽贝牙齿的形成，并且根据帽贝牙齿的材料制造出一种新的高强度复合材料。相关成果以“Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth”为题，发表在Nature Communications期刊上。

研究员Rumney在培养细胞的过程中发现，细胞将酶释放到周围的液体中，促进氧化碳沉积到几丁质上，使几丁质得到矿化，从而变得非常坚韧。然而，由此方法制备的材料尽管与帽贝牙齿非常相似，但纤维排列和针铁矿晶体尺寸的微小差异导致其强度无法比及帽贝牙齿。

Górecki教授表明，虽然自己培养制造的材料与天然帽贝牙齿无法相比，但仍证明了通过该实验过程可以获得具有与帽贝牙齿相似特性的材料。传统的实验室中合成针铁矿需要在强酸加热下进行，并且整个过程需要三天之久。相比之下，Rumney的方法虽需要两周时间，但可以在14℃和中性pH环境下工作。研究员表示，这种方法可以在海水温度下生产类帽贝牙齿材料并且对环境友好。Gorecki教授团队还分析研究了细胞的遗传活性，从而缩小所涉及的酶的范围。如果这项实验获得成功，那么这些用于催化的酶就可以进行工业生产，从而使材料的制造变得更快更便捷。虽然目前制造的样品只有半厘米的宽度，但为了进一步扩大规模，该团队目正试图采用挥发性更低的溶剂制造几丁质纤维，并开发合作以创建更大的规模。

此外，甲壳素被认为是自然界中仅次于纤维素的第二丰富的多糖，广泛地存在于海洋甲壳类动物的壳中，生物圈每年能产生十亿吨。据估计，每年约有100万吨含有甲壳素的虾、蟹等被作为海洋废物丢弃，研究员Rumney希望这些材料可以被充分利用，以作为高强度、高韧性材料的来源。

这种具有极强强度的新型复合生物材料可能会在合成材料领域占据一个重要位置。如果该团队能成功地扩大这一过程，它则可以为凯夫拉纤维和塑料等材料提供一个更可持续的替代物，而这些材料的生产是资源密集型且不那么容易被回收的。

Rumney指出：“像凯夫拉这样的全合成复合材料被广泛使用，但其制造过程可能是有毒的、材料难以回收且价格昂贵。在这里，我们有一种材料，就其来源和制造方式而言，它可能更具有可持续性并且在其寿命结束时可以进行生物降解。”

研究人员现在正将注意力转向优化该工艺并将其扩大到以大规模生产所需的规模来生产合成帽贝牙齿。

“我们的下一步是找到让铁形成的其他方法，所以我们正在研究帽贝细胞的分泌物以更好地了解这一点，”Rumney说道，“如果效果真的很好，那么我们已经有了器官的基因读数，所以我们可以把感兴趣的基因提炼出来并希望把它们放入细菌或酵母中从而让它们规模化生长。显然，我们现在有一个海洋中的塑料危机，我认为这是一个很好的对称，我们可以从一种海洋生物中学习如何通过用生物替代品取代塑料的使用来更好地保护它们。”

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_526839.html
来源：贤集网
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