既坚固又强硬 利用细菌可制造汽车材料

  　　 如果有人告诉你，细菌并不可怕，甚至还能制造出坚固、耐受和有弹性的工程材料，你会怎么想？这并非一种幻想，而是南加州大学维特比工程学院上的研究论文。

  　　研究人员研究的是一种特殊的细菌——巴氏葡萄球菌，这种细菌以分泌一种名为脲酶的酶而闻名。当脲酶暴露在尿素和钙离子中时，会产生碳酸钙，这种矿物质化合物是骨骼或牙齿中的重要组成部分。

  　　在此项研究中，关键创新之处在于引导细菌生长碳酸钙矿物质，以获得与天然矿化复合材料相似的有序微结构。研究人员Qiming Wang表示：“细菌知道如何节省时间和精力去做事情，它们拥有自己的智慧，我们可以利用它们的聪明才智设计出优于合成材料的混合材料。”

  　　事实上，从大自然中汲取灵感在工程学中并不新鲜。“尽管细菌、真菌和病等微生物有时会有害于引起疾病，但它们也可能有益。我们使用微生物材料进行加工已有悠久的历史，如使用酵母来酿造啤酒。但是关于利用微生物制造工程材料的研究有限。”Qiming Wang表示。

  　　新生物材料将活细菌和合成材料结合在一起，所表现出的机械性能优于当前的任何天然或合成材料。在很大程度上，这是受益于材料中的球粒结构，其特征是多层矿物质相互之间以不同的角度排列，形成一种“扭曲”或螺旋形状。这种结构很难仅仅通过合成的方式制造，因此研究人员使用细菌来实现这一目标。

  　　为了制造这种材料，研究人员3D打印出格子结构，其中为空方格，并使格子层以不同的角度铺设，从而形成螺旋形状。然后，将细菌引入该结构中。细菌天生喜欢附着在表面上，因此会用它们的“腿”抓住材料。接着，细菌会分泌脲酶，促使形成碳酸钙晶体。它们沿着表面生长，最终会填满网格结构中的小方格或空隙。

  　　“我们做了机械测试，证明这种结构的强度非常高。他们还能够抵抗裂纹扩展断裂，并有助于抑制或耗散材料内部的能量。可应用于航空航天面板和车架等基础设施。”博士生An Xin说。另外，这种活性材料相对较轻，也可以为防弹衣或车辆装甲等防御应用提供材料上的选择。

  　　当需要维修时，甚至可以在这些材料中重新加入细菌。研究人员表示：“这些生物材料仍然具有自我生长的特性。当材料受损时，我们可以加入细菌使其重新生长。例如，如果我们将其应用于车架上，可以在必要时修复受损材料。”