贝壳I：科学与艺术珍品

Seashell I: science and art treasures

蒋持平，柴慧

JIANG Chiping，CHAI Hui

北京航空航天大学固体力学研究所

摘要 介绍贝壳的艺术美和它带给人类的创造灵感，介绍贝壳在材料强韧化方面所创造的力学奇迹：利用95%左右的原始低强度碳酸钙，加上少量蛋白质和多糖有机胶，建造了精巧的分级嵌套微结构，使韧性比组分材料提高了三个数量级，成为超级生物材料。接下来将继续介绍分级嵌套微结构强韧化的力学机制、连接不同尺度微结构的矿物桥和人类在贝壳仿生方面的进展。

贝壳是大自然赐予的艺术珍品，它伴随和见证了人类文明的进程。史前（7-3.5万年前）尼安德特人的洞穴里，就发现了贝壳饰物。一般认为，古希腊大哲学家、大科学家亚里斯多德，古罗马作家、博物学者、军人、政治家老普林尼是最早用文字描述贝壳的作者。贝壳是海洋软体动物（mollusk）之壳，据说mollusk这个词就是亚里斯多德创造的。

贝类生活在浅海大陆架，热带浅海尤盛。它们的外壳形状奇异、色彩艳丽、花纹精美，像多彩饰带镶嵌于绿色的陆地与蔚蓝色的海洋之间，将我们的地球装点得更华美。如今贝壳的收藏已经成为一门学问^[1]，单看贝壳的名字，就美不胜收：帝王宇螺、将军芋螺、女神涡蛤、水晶凤凰螺、夜光蝾螺、露珠蝶螺、乐谱涡螺、地图宝螺、太平洋黑香螺、台湾枣螺、欧洲象牙贝……图1是几种贝壳的图片。

(a) 帝王螺

(b) 水晶凤凰螺

(c) 夜光蝾螺

图1 贝壳

海贝像是从神秘的自然深处流淌出来的艺术清泉，赋予人类创造的灵感。看图2悉尼歌剧院，是海浪中翩翩起舞的海贝，抑或是向着大海远航的风帆？贝壳的艺术神韵使它具有永恒的魅力。

图2 悉尼歌剧院

2.力学奇迹

海贝更是科学的宝藏，引无数杰出科学家竞折腰。见图3 a的对数螺旋线和图3b的放射线，一族族优雅的数学曲线，是贝类生长的迹线，其深奥的生命密码，等待有志者去破译。

最吸引科学家的是贝壳特别是活体贝壳的强度和韧性。在介绍它之前，不妨先看一个问题：“如何用写黑板的粉笔材料制造坚韧的盔甲？”

或许我们的第一反应是：“不可能，劣材不可用。用粉笔这样的脆性材料造不出坚韧的盔甲。”

然而贝类动物将不可能变成了可能。软体动物的壳主要由碳酸钙构成。鲍鱼壳闪光的内层是珍珠母层，其95%左右就是原始的、低强度的碳酸钙，与粉笔的成分相同。它们以0.5微米厚的文石晶片的形式存在，由5%左右的有机胶（蛋白质和多糖）粘结。这样的生物复合材料的韧性比原始碳酸钙的韧性提高了三个数量级，一跃为超级韧性材料^[2]。因珍珠母层的文石晶片的厚度正好与可见光的波长相同而发生干涉，所以贝壳闪现着迷人的珍珠光泽。

贝壳的强度和韧性奇迹是生存竞争的结果。软体动物肉质鲜美，却行动迟缓，自卫乏力。为了生存，他们的外骨骼进化成为了今天的贝壳。海洋软体动物既不会入地挖矿，更不能高温冶金，只能从食物取材，常温生长。正是这种先天的环境条件约束使它们创造了一个人类以前没有想到的材料设计和制造的新方式。

3.？？？？？？？？ 微型长城？

科学家对贝壳强度和韧性的研究从解剖贝壳，了解贝壳的内部结构开始，有科学家将其微结构分为7类，见图4示意图^[3]。

图4. 贝壳的7类微结构：(a)柱状珍珠母文石，(b)片状珍珠母文石，(c) 簇叶状方解石，(d) 棱柱文石或方解石，(e)交叉层状文石，(f)复杂交叉层状文石，(g)均匀分布。其中文石和方解石是碳酸钙的不同晶体形式