显微镜 瓷器宋帆：小结构，大力学习

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 新浪财经合作论坛第十八期于2017年5月1日在北京大学医学系跃进讲堂举行。中国科学院力学研究所研究员、博士生导师宋帆出席并致辞。
    
     在地球上经过数亿年的进化之后，看似普通的小生物的微观结构隐藏了打开人类大脑的智慧，一个小壳改变了我们的现在和未来。
    
     宋帆：我们生活的世界，大自然，已经经历了数十亿年的进化。这种进化就是我们所谓的自然选择和适者生存，这是一种相当残酷的进化。通过这种进化过程，我们在地球上的生物，甚至动物或植物，都有特定的形式或功能，适应于自身的生存环境。而这种特殊的形式或功能对我们来说并不适用。因此，自古以来，我们人类就提倡向自然学习，相互学习。
    
     说到人类仿生学，我们首先想到的是仿生学。首先想到的是大型建筑物的仿生学，如鸟巢和水母旅馆。另一个是生物功能仿生学。我们希望得到这个功能。例如，我们向鸟学习，我们向鸟求助。NT飞机，我们从蝙蝠身上学习，我们得到雷达。
    
     那么我们今天要谈什么呢我们来谈谈贝壳。贝壳是大自然给我们的更好的礼物。在工业结构中，最有名的是悉尼歌剧院。
    
     当我们年轻的时候，我们知道手上有一支粉笔脱落了，对吧那时，老师打破了粉笔，把学生打碎了，不是吗这就意味着它容易破碎。小贝壳很难破碎。也就是说，两者在力学性能上有所不同。它们的成分是什么它们是由大于95%的碳酸钙晶片制成的。
    
     我们发现，壳层是一种有序结构，粉笔是一种无序结构，正是这种有序和无序之间的差异导致了它们的力学性能的巨大差异。
    
     迄今为止，已经发现了5万多个贝壳，但5万种贝壳中只有7种具有显微结构。在7种显微结构中，更低的被称为珍珠母，具有更好的机械性能。珍珠诞生的花边，它在哪里它是在贝壳的最内层，所有的珍珠都在那里产生。所以它的成分和珍珠完全一样。从这张照片上你可以看到，它就像砖墙。就像我们现在的墙。它是由六角形的碳酸钙片材组成的，一个接一个地堆积，占5%。中间的有机基质，因此被称为砖墙结构。正是因为这种结构，它使材料性能良好。我告诉你两个标准：，珍珠母的断裂功是形成它的碳酸钙晶片的3000倍；而且，珍珠母的变形量是晶片本身的变形量的10倍以上，也就是说，如果碳酸钙晶片被拉伸得那么长，珍珠母的变形量可以拉得那么长。
    
     珍珠母是一种陶瓷材料，我们称之为生物陶瓷。目前世界上更大的陶瓷材料目标是什么克服其脆性，提高其韧性。这是世界陶瓷研究的最根本问题，所有的陶瓷材料基本上都围绕着它。此外，从表中还可以看出，珍珠母的综合指标更好。滚筒发动机现在是陶瓷的，但性能不好。此外，坦克的外防护装甲全是陶瓷的。陶瓷的韧性在我们这个行业和现在都非常迫切。因此，它将引起当今仿生学的这种热情。珍珠母具有如此好的功能。当然，我们必须学习。
    
     它是怎样发展得这么好的到1995年，美国一个科学家小组发现，珍珠母通过三个特性获得了韧性。，当珍珠母说它要断裂时，它是个这样拔出的芯片。在这个过程中，消耗了大量的能量。裂纹贯穿其断裂过程。它不像一般裂缝，Shua！它具有裂纹，像这样转动，耗费大量能量。三是在转动过程中，它有机基质桥接，即有机基质拉动裂纹。这三种机制导致了珍珠母的韧性。
    
     嗯，在我们弄到之后，材料科学家开始制造他们自己的珍珠母和层状材料。正如你所看到的，我有这三种特征，但是它比现在强3000倍，而且我可能只有现在的50倍。但是我远不是3000倍。所以人们看起来像巴克。K和思考：这是件事，也就是说，会有另一种微观结构吗它不仅是你的砖墙结构，还是其他微观结构1997年，加州理工学院的一群科学家研究了珍珠母的有机基质，即层间的红色基质，发现有机基质中有大量的空穴。但是这个空穴里有什么呢他说不清楚。然后，根据洞的形状，他们提出了一个假设：它是一个矿物桥。这个矿物桥，穿过你的有机基质，像这样上下连接着层。它连接着上层和下层。但是他们没有看到洞。接下来，全世界可能都知道，有六个小组正在这样做，试图寻找矿物桥，但没有一个。2000年，通过一系列实验，通过一系列艰苦的工作，我们发现了矿物桥。这张照片是世界上张矿物桥的照片。
    
     我想在这里给你们讲个小故事。因为我们用透射电子显微镜观察这个结构。大约是这个结构的两百万倍。在这一点上有什么问题用透射电子显微镜制作珍珠母样品时，它变厚了，透射电子显微镜的电子不能穿透，所以不能得到图像。它是更薄吗当电子束击中材料时，它就坍塌了。它掉下来落在电子显微镜里。这时我们意识到为什么全世界的人们都在寻找这座矿物桥，为什么你们找不到它，因为它是问题。但是这一次，因为我们的经历之一，我们在这天做这件事。在构思上，我们喷涂了钛金属，熔化了钛，然后喷在我身上，所以我们加强了薄试样，电子束也通过了。所以我们的实验完成了。因此，从这里我们知道，我们可能面临过这样的问题。我们很幸运。我们知道这个方法。我们已经解决了这个问题。
    
     我们发现，矿物桥可以大大改善这种层状材料的力学性能。通过这些研究，我们更进一步，在实验中发现，矿物桥也可以阻止裂纹的扩展。这解释了为什么我们刚刚得到的层状材料的韧性。由于矿石桥，所描述的无法与珍珠母相比。我们解决了我们刚刚解决的问题。
    
     在做这个实验时，我们意外地发现一个非常有趣的现象，即在珍珠母的变形过程中，它具有负的泊松比效应。看这张图，也就是一根棍子，我在拉的过程中，中间会变薄，这叫做泊松比效应。当我拉时，中间会变厚，这叫做负泊松比效应。在变形的一个阶段，珍珠母有这样的效应，结果就是这样。因为珍珠母在外力的作用下能吸收11倍的体积功率，变形功降低到40%。这意味着珍珠母具有更大的韧性和更大的变形能力。在所有的工程材料中，我们都想制造珍珠母。这座矿桥肯定会在科学院出版，但到目前为止，工业界还没有人做过。这也很可惜。
    
     我们也通过此事解释了一件事。也就是说，生物制造是一种非常好的制造方式。我们通常说，环境良好的制造，这些都是生物制造。现在我们的合成技术，如陶瓷，需要在高温高压，但不管你消耗多少能量，你都不能合成像矿物桥这样的微观结构。只有生物才能形成矿物桥结构。可以说，目前合成陶瓷世界是一个难题。这个问题是预期的。要被下面雄心勃勃的年轻人考虑。
    
     什么是热震首先让我给你们一个基本的概念，比如航天飞机，这是近距离空间飞行器，这是美国的X37B。众所周知，这些飞机是什么它飞到外层空间，然后从外层空间返回地球。回到地球，因为速度太快，大约10马赫，它与大气摩擦并产生热量，热量可以达到2000到3000之间的温度。这样，所有这些表面都被烧蚀了。烧蚀的问题是什么离子有可能造成材料损坏，甚至飞机的崩溃，这是热震。
    
     热震是陶瓷材料的一个特点。其他金属没有这样的特性。实际上，刚才提到的热冲击比以前高。说实话，是把鸡蛋煮开，把鸡蛋拿起来扔进冷水里，蛋壳爆炸了。这是热震，还有冷水杯，水杯较凉，倒入沸水，裂开！水杯被炸掉了，那就是热震。那么热震的本质是什么也就是说，当加载速度非常快，超过一个温差时，其强度将下降。例如，像这些图片，当温度在700度下降到100度时，它将爆炸。那么结果是什么这是一道裂缝。
    
     刚才我们说热冲击是陶瓷材料的特性和性质，那么如何克服这种热冲击呢我们回去煮鸡蛋吧。你注意到了吗当我们煮鸡蛋时，我们把它们煮熟，取出它们扔进空气里煎出来。热休克发生了，所以通过这种空气，我们没有热休克，对吧只是热冲击落入水中。也就是说，作为介质，空气是介质，水是介质，两种介质之间一定有某种东西，这样蛋就不会有热冲击。那是什么这就是我们所说的表面热阻，也就是空气的表面热阻。事实上，表面热阻远大于水中的热阻。嗯，我必须克服热冲击，我自然会想：如果我在陶瓷表面上放一层空气，我让陶瓷表面的空气粘在上面，是不是热震
    
     然后我们开始向大自然学习。事实上，这个结构在那里，你认为，事实上，那里有自然世界，但是你没有发现它在那里。
    
     首先，我们先来谈谈植物。植物是荷叶。我们都知道荷叶也有一种叫做疏水效应的效应。什么是疏水效应我们最直接的方法是把荷叶摘下来，放到水中，然后把它塞进水中，你会发现荷叶的表面是一条银子。那是什么也就是在荷叶的表面和水之间沉积一层空气。就像这个明亮的荷叶一样，里面有一层空气。让我们看看荷叶上的蜻蜓。事实上，蜻蜓也是疏水性的。下雨的时候有多少动物只有蜻蜓能在雨中飞翔，对吧为什么它也是超疏水性的，到底是怎么回事荷叶实际上是图形表面上的分层结构，这种纳米结构不断分级，导致液滴出现得晚(科学上称为水接触角)，水接触角越大，其疏水性越好。憎水角为160度，是一种超疏水性，所以现在建筑物和运输工具都要使用这种结构。为什么如果你想自己打扫。我们的房子，一座高层建筑，下雨的时候会被洗干净，不需要手动洗。是吗汽车，你的车不需要清洗。一旦下雨，他们就会自动清理，对吧！这是一个非常好的前景，现在每个人都在做。
    
     另一种是蜻蜓。蜻蜓和荷叶的结构略有不同。它是一种随机结构。这种随机结构具有较好的疏水效果，它的水接触角可以达到173度。我们在这种生物身上发现了一些东西，我们应该在下面模仿它。我们在我们材料的表面-陶瓷表面，你看，我们的陶瓷最初是关于70度疏水角。我们制作了仿生蜻蜓表面，像刚才的蜻蜓表面，表面的水接触角可以达到120度。当然，没有蜻蜓表面的比较，这是自然的，我们应该从中学习，我们必须从中学习。对！无论如何，它是一种超疏水结构。这种表面陶瓷不会再引起热冲击。它直线上升，上升几千度，不会发生热冲击。其机理是什么就是通过这种仿生方法将空气附着在表面上。这种空气使我们的表面热阻增加了5000倍。
    
     因此，在这种情况下，我们也可以看到我们人类是仿生的，而不是机械的仿生形式。因为我们人类是聪明的，我们可以通过我们的智慧来增强这种生物结构的功能。也就是说，你以前是疏水性的，我可以养你防止他。在。
    
     最后，我们可以说，经过几亿年的进化，大自然的生物已经获得了与其生存相适应的状态和功能，这些状态和功能值得我们人类学习。大自然的智慧，而不是仅仅停留在形式上。这创造了一个更辉煌的人类文明。
    
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