材料仿生学的崛起 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：科技探新

　　材料仿生学的崛起
张友新
材料仿生学是现代仿生学中的一个重要分支。材料仿生学研究生物物质的结构和功能，并在材料设计和制造中加以模仿，进而开发新材料、新产品。
近年来，材料仿生学的研究已在美国等国家崛起。一批从事材料科学、分子生物学、工程学、生物化学、数学、物理学的研究人员都对材料仿生研究表现出极大的兴趣，并希望从大自然中获得创造未来材料的灵感。美国代顿大学研究所专家把目光盯在一种名叫“贝斯甲壳虫”的黑色大昆虫身上，正在探索它的秘密：如何把糖和蛋白质变成重量轻但又坚硬胶粘、不易破坏的外壳。华盛顿大学研究人员正在设法弄清楚蜘蛛的“超级技术”：如何把水溶性的蛋白质分子纺织成比防弹背心还要坚韧、难以溶解的蛛丝。普林斯顿大学等研究人员经常与鲍鱼相伴，试图寻找到鲍鱼使海水中的白垩变成贝壳的奥秘，进而得到制造新型材料的启示，因为这种贝壳的强度可以超过最高级陶瓷的一倍。同时，还有一批科学家正在研究其他天然材料，如能够咬穿金属罐头的老鼠牙、抗裂缝的桃核和椰子壳、具有自愈特性的犀牛角、能产生超强度胶的贻贝等。
据报道，美国科学家已开始研制仿生材料。亚拉巴马大学研究人员已成功地把存在于人体许多组织中的弹力蛋白质的一个关键片段变成一种材料，其扩张和收缩的特性与人体动脉壁非常近似，用它制成管状，手感如同真血管；用它制成片状，可以用来包装诸如心脏起搏器之类的机械装置。亚拉巴马大学生物物理学家丹·厄里长期研究皮肤，现已研制成一种合成弹性硬蛋白，试验证明，它能十分有效地防止在手术后出现粘连。厄里领导的研究小组开发出的新材料已获得或即将获得的专利总计达二十项。怀俄明大学生物学家兰迪·刘易斯长期研究后指出，露水落在蜘蛛网上闪闪发光，十分诱人，用不了很久，人们将使用人造的仿蜘蛛丝制作各种各样令人羡慕的物品，从飞机门的加强纤维到紧身的速降滑雪服。
目前，材料仿生学尚处于基础研究阶段，科学家们大都正在致力于找出生物材料的基本结构和原理，但面临的不少问题至今还是“谜”。例如，什么材料和机制使马蹄能抗裂、贻贝和藤壶的分泌物有粘性、老鼠的牙齿如此锐利？什么材料和机制使大马哈鱼知道自己的出生地、蝴蝶能同远处“通信联络”、鸽子能从一百公里之外准确返巢？如果解开诸如此类的生物体的奥秘，搞清生物体所特有的功能、结构和原理以及它们与环境的关系，从中得到启迪，并加以模仿，开发新材料、新产品，这将有力推动包括材料仿生学在内的科学事业的发展和人类的进步。
据美国科学家们估计，从由生物界获得启示的材料到普遍应用，还需要五至二十年的时间。他们认为，材料仿生学的深入发展“将导致不仅在技术上卓越超群，而且对环境没有危害的新材料”，仿生材料将逐步取代石油产品。科学家们已“向大自然的深层机理投去了目光”，看到了一个“令人激动的材料仿生学新纪元”。