貝殼I：科學與藝術珍品

Seashell I: science and art treasures

蔣持平，柴慧

JIANG Chiping，CHAI Hui

北京航空航天大學固體力學研究所

摘要 介紹貝殼的藝術美和它帶給人類的創(chuàng)造靈感，介紹貝殼在材料強韌化方面所創(chuàng)造的力學奇跡：利用95%左右的原始低強度碳酸鈣，加上少量蛋白質和多糖有機膠，建造了精巧的分級嵌套微結構，使韌性比組分材料提高了三個數(shù)量級，成為超級生物材料。接下來將繼續(xù)介紹分級嵌套微結構強韌化的力學機制、連接不同尺度微結構的礦物橋和人類在貝殼仿生方面的進展。

貝殼是大自然賜予的藝術珍品，它伴隨和見證了人類文明的進程。史前（7-3.5萬年前）尼安德特人的洞穴里，就發(fā)現(xiàn)了貝殼飾物。一般認為，古希臘大哲學家、大科學家亞里斯多德，古羅馬作家、博物學者、軍人、政治家老普林尼是最早用文字描述貝殼的作者。貝殼是海洋軟體動物（mollusk）之殼，據(jù)說mollusk這個詞就是亞里斯多德創(chuàng)造的。

貝類生活在淺海大陸架，熱帶淺海尤盛。它們的外殼形狀奇異、色彩艷麗、花紋精美，像多彩飾帶鑲嵌于綠色的陸地與蔚藍色的海洋之間，將我們的地球裝點得更華美。如今貝殼的收藏已經(jīng)成為一門學問^[1]，單看貝殼的名字，就美不勝收：帝王宇螺、將軍芋螺、女神渦蛤、水晶鳳凰螺、夜光蠑螺、露珠蝶螺、樂譜渦螺、地圖寶螺、太平洋黑香螺、臺灣棗螺、歐洲象牙貝……圖1是幾種貝殼的圖片。

(a) 帝王螺

(b) 水晶鳳凰螺

(c) 夜光蠑螺

圖1 貝殼

海貝像是從神秘的自然深處流淌出來的藝術清泉，賦予人類創(chuàng)造的靈感?？磮D2悉尼歌劇院，是海浪中翩翩起舞的海貝，抑或是向著大海遠航的風帆？貝殼的藝術神韻使它具有永恒的魅力。

圖2 悉尼歌劇院

2.力學奇跡

海貝更是科學的寶藏，引無數(shù)杰出科學家競折腰。見圖3 a的對數(shù)螺旋線和圖3b的放射線，一族族優(yōu)雅的數(shù)學曲線，是貝類生長的跡線，其深奧的生命密碼，等待有志者去破譯。

最吸引科學家的是貝殼特別是活體貝殼的強度和韌性。在介紹它之前，不妨先看一個問題：“如何用寫黑板的粉筆材料制造堅韌的盔甲？”

或許我們的第一反應是：“不可能，劣材不可用。用粉筆這樣的脆性材料造不出堅韌的盔甲?！?/p>

然而貝類動物將不可能變成了可能。軟體動物的殼主要由碳酸鈣構成。鮑魚殼閃光的內層是珍珠母層，其95%左右就是原始的、低強度的碳酸鈣，與粉筆的成分相同。它們以0.5微米厚的文石晶片的形式存在，由5%左右的有機膠（蛋白質和多糖）粘結。這樣的生物復合材料的韌性比原始碳酸鈣的韌性提高了三個數(shù)量級，一躍為超級韌性材料^[2]。因珍珠母層的文石晶片的厚度正好與可見光的波長相同而發(fā)生干涉，所以貝殼閃現(xiàn)著迷人的珍珠光澤。

貝殼的強度和韌性奇跡是生存競爭的結果。軟體動物肉質鮮美，卻行動遲緩，自衛(wèi)乏力。為了生存，他們的外骨骼進化成為了今天的貝殼。海洋軟體動物既不會入地挖礦，更不能高溫冶金，只能從食物取材，常溫生長。正是這種先天的環(huán)境條件約束使它們創(chuàng)造了一個人類以前沒有想到的材料設計和制造的新方式。

3.？？？？？？？？ 微型長城？

科學家對貝殼強度和韌性的研究從解剖貝殼，了解貝殼的內部結構開始，有科學家將其微結構分為7類，見圖4示意圖^[3]。

圖4. 貝殼的7類微結構：(a)柱狀珍珠母文石，(b)片狀珍珠母文石，(c) 簇葉狀方解石，(d) 棱柱文石或方解石，(e)交叉層狀文石，(f)復雜交叉層狀文石，(g)均勻分布。其中文石和方解石是碳酸鈣的不同晶體形式