一种远古海虫可能蕴含着一类全新天然材料的奥秘。其大颚通过结合蛋白质与金属离子，获得了类金属强度及独特的力学行为，但它们仍与传统金属有所不同。研究人员认为，这些“生物金属”有望为材料科学开辟新方向，同时也揭示了自然设计的精妙之处。
对于古老的海洋蠕虫拟突齿沙蚕（该物种至今依然存在）而言，答案却出奇地复杂。像其他捕食性多毛类环节动物一样，该物种拥有由结构蛋白和离子构成的颚。这些动物利用这些坚硬的口器来咬碎、研磨并吞食食物。
这些颚不同寻常的成分和行为促使研究人员用一个新术语来描述它们：生物金属。这一概念正成为生物物理研究的一个新兴领域。
是什么让生物金属与众不同？
科学家此前曾使用“类金属生物材料”或“具有类金属特性的生物材料”等短语，来形容那些在强度或导电性方面类似金属的生物物质。
然而，生物金属的定义更为具体。研究人员根据三个主要特征对其进行分类：硬度、对应变的响应方式，以及由离子和蛋白质形成的结构。
在由AIP出版公司发表于《生物物理评论》的一项研究中，来自维也纳工业大学和维也纳大学的科学家研究了这种海蠕虫颚部的类金属行为。他们的目标是帮助阐明生物金属与其他天然材料的区别。
金属离子增强颚尖强度
团队首先利用纳米压痕技术测量了颚的硬度，这是一种在微观尺度上压入材料的技术。他们将测试与化学分析和详细成像相结合。
他们的结果支持了早期的研究，表明金属离子在颚尖的浓度高于中心区域。这种较高的浓度可能有助于使颚尖更坚硬，更适合咬合和研磨。
随后，研究人员使用几种不同的压痕深度对颚进行了测试。他们发现了一种意想不到的效应，这种效应也见于铜和银等金属中。
这种现象被称为Nix-Gao纳米压痕尺寸效应，意味着材料中更小的区域可能更难被压入。在这种蠕虫的颚中，微小区域内应变的剧烈变化似乎增加了原子结构内部缺陷的互锁，从而产生了特征性的尺寸效应。
海蠕虫的颚表现不同于普通金属
尽管这些颚与我们熟悉的金属有一些共同特征，但它们也具有使其与众不同的机械性能。
“多毛类环节动物的颚还表现出尺寸依赖性弹性。与铜或银等标准晶态金属相比，这是生物金属的一个显著特征，”作者克里斯蒂安·赫尔米奇说。
团队利用数学模型解释了这些不寻常的弹性效应如何在原子水平上产生。然而，据赫尔米奇所说，研究人员才刚刚开始了解这些天然材料。
大自然可能启发新材料
“我们计划通过研究更多物种来扩展实验数据库，以完善理论概念并进行专门计算，也许最有趣的是，探索基因干预与相应材料设计空间之间的联系，”他说。“所有这一切都伴随着对大自然中发现并创造的美、优雅和精妙的真实兴奋。”