科学探索|自然界最强的已知材料激发了凯夫拉的绿色替代品自然界最强的已知材料激发了

大自然能够生产出具有惊人强度的材料，蜘蛛丝就是最有名的例子之一。2015年，一组科学家在这一领域做出了一个改变游戏规则的发现，他们证明了被称为石灰石的粘性软体动物的牙齿实际上具有所有生物材料中最强的抗拉强度。

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该团队从这些软体动物的獠牙中获得灵感，从而生产出一种具有极强强度的复合生物材料，它可以提供一种更可持续的替代高性能材料如凯夫拉纤维(Kevlar) 。
帽贝是水生蜗牛，有帽子状的壳，能极好地附着在海岸线的岩石上。这种沿海生活方式的一部分包含了在崎岖不平的表面上刮擦它们的牙齿以收集藻类为食，这正是这种生物具有无与伦比的抗拉强度的秘密所在。
2015年，朴茨茅斯大学的研究人员使用原子力显微镜来研究了帽贝的牙齿材料并在原子水平上对其进行分析。这项工作显示，帽贝的牙齿具有3至6.5千兆帕(GPa)的抗拉强度。就背景而言，蜘蛛拖网丝的抗拉强度约为1.3GPa，而钢的强度约为1.65GPa 。科学家们认为，帽贝牙齿之所以具有令人难以置信的抗拉强度，是因为它有一个密集的甲壳素纤维网络，其中遍布着含铁戈壁石的细小晶体。
该团队现在已经创建了一个系统从而能在实验室中形成类似的结构，该系统从血清涂层的玻璃开始，然后让甲壳素和氧化铁沉积在上面。在两周时间内，这些自我组织成了负责帽贝牙齿形成的器官被称为齿舌。科学家们使用了分离的根状茎细胞、组织样本、矿化甲壳素和一种叫做电纺的技术然后得以培育出半厘米（0.2英寸）宽的仿生石灰牙带。

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这项研究的论文第一作者Robin Rumney博士说道：“我花了六个月的时间来建立这个过程。我经历了我能想到的每一种排列组合以了解细胞可能需要什么以及它们如何生长。这跟通常在实验室环境中生长的细菌或癌细胞非常不同，所以我们必须从头开始研究什么是可行的。”
这种具有极强强度的新型复合生物材料可能会在合成材料领域占据一个重要位置。如果该团队能成功地扩大这一过程，它则可以为凯夫拉纤维和塑料等材料提供一个更可持续的替代物，而这些材料的生产是资源密集型且不那么容易被回收的。
Rumney指出：“像凯夫拉这样的全合成复合材料被广泛使用，但其制造过程可能是有毒的、材料难以回收且价格昂贵。在这里，我们有一种材料，就其来源和制造方式而言，它可能更具有可持续性并且在其寿命结束时可以进行生物降解。”
研究人员现在正将注意力转向优化该工艺并将其扩大到以大规模生产所需的规模来生产合成帽贝牙齿。
【科学探索|自然界最强的已知材料激发了凯夫拉的绿色替代品】“我们的下一步是找到让铁形成的其他方法，所以我们正在研究帽贝细胞的分泌物以更好地了解这一点，”Rumney说道，“如果效果真的很好，那么我们已经有了器官的基因读数，所以我们可以把感兴趣的基因提炼出来并希望把它们放入细菌或酵母中从而让它们规模化生长。显然，我们现在有一个海洋中的塑料危机，我认为这是一个很好的对称，我们可以从一种海洋生物中学习如何通过用生物替代品取代塑料的使用来更好地保护它们。”