【材料前瞻】中科大從自然界得到啟示，設計出高韌性復合材料
我們都聽過“自相矛盾”的成語故事。不少人或許一直很好奇，這個出自于《韓非子·難一》的典故中，那個賣矛又賣盾的楚國人終有沒有用自己的矛刺自己的盾？結果又究竟會怎樣呢?
近，研究者們的一項實驗結果或許可以為我們解開部分謎團——他們研究了自然界中一對“矛盾”關系的生物螳螂蝦與珍珠貝的生態行為，并從中得到一種“矛與盾”式的生物競爭的啟發，設計出一種高韌性復合材料，未來或可用于各種需要增韌的建筑材料。
“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象
生物界像“矛”與“盾”般存在著的捕食者與被捕食者不少，它們之間的生存競爭也很常見。“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象就是其中的一種。
螳螂蝦為肉食性動物，多捕食小型無脊椎動物，包括各種貝類、螃蟹、海膽等。生物學家表示，螳螂蝦在動物界的攻擊速度排行榜上名列第二，它有一對強有力的夾子，攻擊力僅次于兵蟻的大顎。它發動攻擊時可擊碎玻璃，甚至能夾斷人的手指。部分品種的螳螂蝦甚至在身體下面藏著一對能以60公里時速出擊的“錘”，可以在10萬分之一秒內將錘彈射出去，彈射的沖擊力度高能達到60千克，其瞬間因摩擦產生的高溫甚至能讓周圍的水冒出電火花。它的這種猛烈攻擊，可以瞬間毀掉帶殼的蟹的神經系統并使其當場斃命，然后它會用頭下帶倒刺的臂飛快地刺向食物——這一點頗像螳螂，它也因此得名。
而貝類多為軟體動物，大部分都要靠貝殼來保護自己。因此它們的外殼不能不足夠堅硬。它們與螳螂蝦的關系，也可以說是一種“矛”與“盾”的關系。
“矛”與“盾”究竟誰能贏
在螳螂蝦捕食貝殼的這場生存競爭中，“矛”與“盾”究竟誰能贏呢？多數情況下，當然還是“矛”會戰勝“盾”。
但研究者發現，捕食者螳螂蝦（此關系中為“矛”）的“盔甲”內存在一種扭轉結構，可促使裂紋偏轉增韌，即如果在敲擊時甲殼出現裂紋，也會因這種扭轉結構而讓裂紋不會順勢越裂越大，從而令甲殼相比其他生物更堅韌；被捕食者貝殼（此關系中為“盾”）的外殼內則存在一種“磚泥”交錯構型，即可以通過“磚塊”的滑移來促進裂紋通過“橋聯”增加韌性。這兩者其實都是非常有代表性的高韌性生物材料結構——這一點也的確與“矛”和“盾”存在可比性。
為什么自然界中生物材料扭轉結構具有特定的螺旋角大小和扭轉角分布？為什么“矛”會戰勝“盾”呢？應該說，這是大自然造物的神奇之處，顯然也是生物界優勝劣汰的自然進化結果。
而在“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象啟發下，科學技術大學教授倪勇、何陵輝研究團隊與合作者，終將螳螂蝦大夾子的扭轉結構與貝殼珍珠層內的“磚泥”交錯結構相結合，利用3D打印技術，設計出了一種“高斷裂韌性和對裂紋取向不敏感的非連續纖維扭轉”的復合結構，并提出“斷裂力學模型揭示了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉和纖維橋聯協同的增韌機制”，給出了具有“優斷裂韌性”的此類復合材料結構的參數化設計策略。6月22日，相關研究成果已發表在PNAS專業期刊上。
該研究揭示了生物材料優異斷裂韌性的一種微結構起源，也為高性能先進復合材料的制備，提供了新的仿生結構設計思路和性能優化的參數選擇原理。
現在我們或許已能想像《自相矛盾》故事中的結局究竟會怎樣了吧？
