在寻找更可持续材料方面，人类绝不是孤奋战。大自然也一直在“努力”解决可持续性问题，而且已经持续了很长时间。魏茨曼科学研究所的研究人员展示了蝎子和海绵等远古生物所采用的设计技巧如何帮助优化人造材料的弹性，最终推动可持续设计的发展。
“在自然界中，材料经过数百万年的进化，而进化的环境往往是由有限的资源和恶劣的条件决定的，”魏茨曼分子化学和材料科学系的丹尼尔·瓦格纳(DanielWagner)教授说道，他几十年来一直在研究天然材料的机械方面。
“我们的出发点是一种直觉，即我们周围的生物结构——树木、植物、骨头、各种生物的骨骼——都是以可持续的方式发展的。”
“在这方面，耐久性是关键，”研究报告的共同作者IsraelGreenfeld博士说。“例如，生物体会展示出各种专门的策略来应对外力，同时消耗最少的能量——这就是为什么在我们试图开发更强大、更持久的材料时，有这么多东西可以向大自然学习。
“增加材料的强度通常会导致牺牲灵活性。但大自然已经开发出可以同时实现两者而不妥协的结构。”
改进的高效材料为实现更加可持续的未来提供了一条重要途径，因为它们可以减少浪费并降低对燃料的需求。但任何增强材料优势的尝试往往都会以牺牲其另一属性为代价。例如，增加强度通常会导致重量增加或柔韧性降低。
“事实证明，大自然找到了优化平衡的惊人方法，”格林菲尔德说。在各种坚韧的有机物质中发现的一个优化特征是层压结构：由不同物质分层或交织在一起组成的材料。这种复合材料通常表现出强度和弹性，同时保持其他有益特性，例如重量轻和柔韧。
在发表于《科学报告》的研究中，瓦格纳和格林菲尔德研究了两种具有超强韧性的天然层压材料：蝎子的外壳(或称角质层)和海绵的内骨架(或称骨针)。研究人员发现，它们韧性的秘诀在于分级，这是一种在人造材料中很少见的特殊策略：从一层到另一层，其特性逐渐发生变化。
这两种生物的壳层厚度各不相同，而蝎子的壳层硬度也从外到内逐渐降低，因此蝎子面对严酷环境的表面比壳内有更大的弹性。事实上，研究人员对蝎子的研究——以以色列·凯勒斯坦博士(瓦格纳团队前学生)在魏茨曼开始的研究为基础——表明，这种生物的复杂壳层是由八个不同结构层构成的复合材料。
在蝎子和海绵中，都发现一种微妙但强大的“改组”或层压层的重新排列，可以作为冲突特性之间的生物学权衡，帮助它们抵抗它们通常会遇到的各种压力。
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由于经过分级，蝎子的壳和海绵的骨架不仅坚韧结实，而且特别善于抗裂。尽管它们的化学成分和结构不同，但它们都利用相同的原理来优化这种抗裂性：断裂偏转。
这意味着，在这两种生物中，裂缝都是通过改变路径来减轻的。一旦材料中开始出现裂缝，材料的分级结构就会“鼓励”裂缝改变方向，与表面平行，而不是进一步深入，否则可能会造成更严重的结构损坏，并可能导致灾难性的崩塌。
为了更好地理解这两种生物的分级机制，研究人员采用了经典断裂力学的模型，该模型研究物体如何断裂。该模型显示，如果不进行分级，要使蝎子和海绵获得相同的弹性，就需要采取更多浪费的措施，例如增加部件厚度。它还显示，通过将更多材料转移到对耐久性更为关键的结构区域，可以提高弹性。
研究人员并没有止步于此。他们展示了在仿生材料中，分级可以以大自然尚未想到的方式使用。“使用这个模型，我们能够以蝎子和海绵还未&luo;想到&ruo;的方式改变分级水平，”格林菲尔德说。
格林菲尔德和瓦格纳指出，将分级等概念引入到人造设计中极具挑战性。“对人类来说，这样的设计是创新的，”格林菲尔德说。“生物结构是自下而上创建的——从微小的纳米级构件到微观结构，再到越来越大的结构——而在工程学中，通常不会从分子水平开始。”
不过，虽然蝎子的结构特别复杂，但其他天然微结构(如海绵的微结构)更容易应用于工程。例如，在海绵的骨架中，除了分级之外，由于脆性层与少量较软的层交错，裂缝的产生速度减慢或停止。“它是一种陶瓷，基本上是由二氧化硅制成的，而不是通常认为具有强大抗断裂性的那种材料，”瓦格纳说。
研究人员解释说，更好地了解天然复合材料中的策略可以帮助工程师优化我们自己的人造复合材料，该复合材料是一种广泛的材料家族，包括从无处不在的水泥到航空航天工业使用的专用纤维增强层压板。
并非抄袭，确切地说
瓦格纳和格林菲尔德合作已逾十年，两人的专业背景各异，瓦格纳长期从事生物复合材料和人造纳米材料(如碳纳米管和石墨烯)微观力学的基础研究。
与此同时，格林菲尔德在航空工程领域工作，这是一个效率至关重要的领域。他还从材料使用的不同领域汲取经验，从结构设计到系统工程和发明。“格林菲尔德博士来自动手创造的世界，他为我们的实验室带来了不同的视角——我们都从合作中受益匪浅，”瓦格纳说。
“确切地说，我们的工作并不是抄袭，”他补充道。“而是从大自然的设计中汲取灵感。”
格林菲尔德说：“如何利用这种灵感当然取决于一个人的工程目标，但它也是为了拓展一个人用工程能做什么的视野。”
瓦格纳说：“我将可持续性定义为既能满足当代人的需求，又不会损害后代人满足其自身需求的能力。我们从这个角度来考虑机械耐久性的重要性——提高耐磨性或提高灵活性，从长远来看，这将带来更好的结果，无论是试图节省燃料还是减少所需的原材料数量。”
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