用一条便宜束狗皮带溜一条大狗,其抗拉强度大约是每平方英寸2000磅(缩写2000psi),皮带截面只有1/24平方英寸。狗看见一只猫突然加速,只须用83磅力量,就可以拉断皮带。
材料在达到最高抗拉强度极限时断裂,材料强度变化很大(下次买一条同样尺寸的尼龙束狗带,强度10000psi,在83磅拉力下,就不会断了)。
现在需要一个基准强度来比较各种不同材料。让我们选定建筑钢材,其抗拉强度为72000psi。钢与自然界有机材料相比如何?成材的桦树大约是钢的十分之一。很长时间,我们认为蜘蛛网丝是最强有机自然材料,大约是钢的3倍。
但是2015年科学家发现帽贝与众不同的特性。帽贝属于海贝壳类,形状像平顶圆锥,用爪吸留在岩石表面生活。你也许听说过帽贝水雷,一战、二战期间,潜水员将其吸在船壳上,炸沉舰船。
帽贝靠口中微小牙齿刻离岩石表面水藻为食。其拉伸强度是钢材13倍!如果我们可以制造十六分之一英寸帽贝牙丝,它可以吊起一辆汽车。
早在1979年,著名科学家、作家阿瑟·查理斯·克拉克提出至少需要这样强度的材料,联接地球和22000英里高的同步轨道太空站,人类可以不用火箭到达轨道,而是使用太空电梯往返于太空和地球之间,电梯缆绳要足够结实承受自身重量,缆绳强度至少和帽贝牙一样。克拉克当时建议使用的单晶纤维,恰巧和帽贝牙强度相近。
美国航天局从那时起就组织任务团队研究该设想。但是很难发现可行材料,并且具有如此高拉伸强度。1991年发现号航天飞机使用碳纳米管是一个突破。可是碳纳米管,不是一种经济实用的材料,尽管它是管状碳元素具有最高的抗拉强度(9000000 psi)——一百多倍高于钢强度,十多倍高于帽贝牙。
出乎意料的是帽贝由单纤维结晶物质构成,被称之为针铁矿,属于M蛋白类,类似于广泛应用在制造飞机的碳纤维材料。
尽管人类在发明如此高强度材料上有长足的进步,但是每当我们有新想法,似乎自然界已经先于我们想到了。