牙齿不怕裂纹



        在生物结构演化过程中往往呈现形形色色的生物复合结构:如动物的骨骼,牙齿,贝壳等,这些大多是胶原蛋白质镶嵌矿物质颗粒(如碳酸钙)的结构。矿物质硬而脆,蛋白质软而韧,而形成的这些生物复合材料的强度堪比矿物晶体,韧性却比矿物晶体高好几个数量级。一般材料的强度和韧性与材料的微结构紧密相连,强度越高的材料对缺陷越敏感,韧性就很差。而韧性很好的材料往往强度不高。很难想象,当人们在材料强韧化设计的道路上步履维艰时,自然界中的生物结构早已经实现了强韧优化而不再惧怕裂纹。最近在美国的PNAS期刊上,德国马普金属所的高华建(Gao Huajian)小组,揭开了这一秘密。


        他们发现在这些生物结构中,矿物质承受拉压而蛋白质承受剪切,为了协调矿物质与蛋白质之间巨大的强度差异,矿物形状需要保持为大的长径比。当矿物晶体的强度达到理想强度时,生物结构的强度达到最大。事实上晶体存在一个由几个材料常数决定的内禀尺度(约30纳米),小于这个尺度时,矿物晶体的强度等于理论强度而不再与微缺陷相关,矿物质也因此自然的调节自己的厚度而优化自身的强度。他们利用结合原子内聚键思想的有限元模型证实了随着矿物质厚度的减小,其强度确实在逐渐升高,并在一个临界尺度达到完整晶体的理论强度。

图示:缺陷体的强度随板厚度的变化。


        实际情况中,生物材料的强度不是越高越好。如骨骼和牙齿等更多地需要承受冲击,磨损等。所以牙齿、骨骼中的蛋白质分数较高。这样不可避免地造成强度差异增大,而为了保持整体的强度,因此矿物质的厚度会更小。实际上自然界确实如此:骨骼、牙齿中矿物颗粒的尺度在几个纳米的量级,而蛋白质分数较低的贝壳类物质中矿物颗粒的尺度要大得多,在几百纳米的量级。

Original work:
H. Gao, B. Ji, I. L. Jager, E. Arzt, and P. Fratzl,
"Materials become insensitive to flaws at nanoscale: Lessons from nature"
Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, 2003, Vol.100, pp. 5597-5600. This paper was online on 5th of May.

2009年9月21日      

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