季葆華：把生物復合材料變得更“結實”

　　礦物質和蛋白質是構成自然界中生物材料的主要成分，但是礦物質和蛋白質兩種物質本身的斷裂強度和韌性都非常低，比如我們人體的組織，皮膚是由蛋白質構成的，它摸起來十分柔軟，而牙齒和骨頭這種單純的礦物質通常都非常的脆。這些個體并不“結實”的材質組合在一起時，卻能形成剛度、強度和韌性都好的堅固“材料”，承擔著自然界給予它的各種載荷。

　　材料學家曾進行了大量的實驗對這種“材料”進行仿制。他們用化學的方法模擬生物環境，合成了一些仿生復合材料。但這些合成的仿生材料的力學性能與天然材料相比要差很多。比如，合成的仿貝殼材料雖然具有與天然貝殼相當的斷裂韌性，但是剛度和硬度要比天然的貝殼材料低很多。仿生骨的剛度和強度也遠低于天然骨的力學性能。人類科技可以使航天飛機直達深空，但是在一枚小小的貝殼面前，卻顯得力不從心。

　　大自然是怎樣用機械性能非常差的原料，合成強度和韌性都非常高的生物復合材料呢？這曾經是一個困擾材料學界的謎題。而北京市科技新星獲得者北京理工大學教授正是從事這一研究工作的科學家之一。

　　1998年獲得西安交通大學渦輪發動機專業博士學位后，季葆華到中國科學院力學研究所在王自強院士課題組做博士后研究。2001年又前往德國馬普學會金屬研究所進行了為期三年的研究和學習。在高華健教授的啟發和指導下，季葆華在生物材料的力學和仿生設計方面取得了突破性進展。回國后，他又相繼任職于清華大學和北京理工大學，一直堅持著關于仿生力學、骨力學，細胞與分子力學等方面的研究。

　　季葆華介紹說，開始做生物納米復合材料研究時，是生物學家利用透射電鏡和小角度X光散射裝置觀察發現，天然生物材料的最小的微結構總是在納米尺度，他們對這種微結構為何如此之小的問題感到很困惑，于是就找到了我們。

　　經過長期的分析，終于發現了一些端倪。季葆華告訴記者，在宏觀尺寸下如果材料有缺陷，缺陷附近的應力就會非常大。但是，當減小材料的尺寸到臨界尺度時（臨界尺度因材料不同而不同），應力就完全均勻了（應力是單位面積上的內力）。當應力分布不均勻時，材料就容易在受力大的地方發生斷裂。而應力變得均勻就意味著，材料不易發生斷裂。

　　當材料的尺度達到或小于一個臨界尺度時，經典斷裂力學的概念不再適用。也就是說，在納米尺度下，結構的斷裂強度得到最大程度的優化，并且對材料的缺陷，比如裂紋等不再敏感。所以他們由此推斷，生物材料結構的納米尺度是生物進化過程中材料強度優化的結果，這也是它們天生堅固的秘密。

　　季葆華向記者介紹，因為材料的破壞，是由裂紋的不斷擴展造成的，但是裂紋的擴展需要能量。這種能量在宏觀尺度的材料中是可以容易獲得的，但是當材料的結構小到納米的尺度后，材料中所含的能量便不足以支撐裂紋的產生，那么已有的裂紋將不會繼續擴展，材料的強度便大大提高了。這個缺陷不敏感的創新性理論發表在美國科學院院刊 《PNAS》上，并入選了封面文章。

　　做科學，就意味著艱辛和付出。但是當記者問起季葆華在研究過程中最大的挑戰和困難是什么的時候。他卻給出一個意想不到的答案，“最難的事情其實就是形成一個創新的思維。”

　　根據傳統的科學理論，材料如果有缺陷，那么它的強度就會隨之降低。所以，在缺陷不敏感理論被發現之前，這種思想就像每天呼吸的空氣一樣，被人們視為自然而且理所應當。

　　俄羅斯化學家門捷列夫發現化學元素周期表，被世人解讀成得益于他的一場夢。雖然這個故事的真假不得而知。但是在科學的世界中，所有的發現沒有捷徑，只有依靠持續不斷的努力。

　　為了找到問題的答案，季葆華與合作導師高華健教授打破傳統理論束縛，列出了所有可能的力學機理及其數學模型，并用嚴格的理論分析一一驗證。在經過幾次的建模和否定的過程后，終于發現了裂紋尖端的應力分布隨尺寸減小呈現均勻的現象。他們抓住這個線索開始了深入的研究，最終建立了缺陷不敏感理論。

　　這一研究成果對于人工合成超強仿生材料將會有革命性的指導意義。比如在航天飛機的材料設計上。一條小小的裂紋就可能造成一次飛行任務的慘重失敗。如果未來能將這個理論付諸于實際，即便在材料內存在裂紋，也不會對飛機結構強度產生太大的影響。

　　“缺陷不敏感理論的提出，并不是這項研究的終點。”季葆華說，目前，缺陷不敏感的特性只存在于結構尺度很小的材料。但是未來，我們希望將這種特性延伸到結構尺度大的材料中。這就需要借助多級結構設計，讓材料在很大的結構尺度下，也對缺陷不敏感。這個推論雖然已經在理論階段得到證明，但我們今后的目標就是用實驗來證明它。并讓這個理論真正造福人類。