海绵也很“硬”

邓双尼

说起“海绵”，你首先想到的会不会是洗澡用的沐浴海绵或者刷碗刷盘子用的清洁海绵，并且联想到“软绵绵”一词？其实，这里说的海绵是一种动物，而且它很“硬”。

海绵的骨架

1841年，英国一名叫理查德·欧文的生物学家在菲律宾附近发现了一种新的海绵种类。当欧文发现其有着复杂的骨骼系统时，感到无比惊奇，并将其骨架描述成“一个精致的‘丰饶角’”（丰饶角是希腊古典神话中装满鲜花和果物的羊角或羊角状物，象征和平、慈仁和幸运），由“坚硬的、闪闪发光的、有弹性的、像头发一样粗细的透明丝”编织而成。

后来，这种海绵动物被称为“玻璃海绵”，其骨架的主要成分是硅（这也是玻璃的主要成分），由居住其体内的一种名叫“俪虾”的动物从海水中提取的酸制成。由于它的骨架长得像一个精致的花瓶，人们又送给它一个绰号，叫“维纳斯花篮”。

自玻璃海绵被发现以来，科学家们一直对它感到很好奇——它不仅有着惊人的寿命（一些玻璃海绵被认为已经活了数千年，是地球上最长寿的动物之一），而且可以透光（跟真的玻璃一样）。在过去20年里，美国哈佛大学的一些生物学家、材料科学家和工程师一直在关注它的另一个特点——复杂的骨架。他们的研究表明，这种骨架非常坚固——几乎是同类型结构下最不易被压碎的。

一种新的桁架

这种骨架的强度来自于它独特的格子结构。它是一个周期性的结构，但一点都不简单。最早对这种结构产生兴趣的是美国哈佛大学材料科学家兼化学家乔安娜·艾森伯格，后来，她的同事卡蒂亚·贝尔托尔迪也被这种格子结构深深吸引。于是，她们一直在研究这种特殊的结构是怎么产生的。

她们发现，构成海绵骨架的玻璃横梁与桁架有很多共同点——桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构，多用于桥梁和摩天大楼的建构上。一个多世纪以来，工程师们对桁架的首选设计通常是这样的：一个正方形网格，用对角线加以支撑，从而形成一个坚固的晶格。这种典型的桁架的对角线是“单条”的，然而，海绵晶格的对角线却是“双条”的，而且相互间平行分开。再加上这些对角线每隔一个方格才有，使得整个网格看起来像是一个棋盘。

为了弄清这种结构，乔安娜和卡蒂亚用计算机对其进行了模拟，并将其与包括标准桁架模式在内的其他三种相同重量的晶格结构进行了比较。在模拟实验中，她们看到这种玻璃海绵晶格在破裂前能够承受的压力最大。与传统桁架相比，增加了对角线的海绵晶格具有更多的节点，且节点间的距离更小，这可能是它在被压垮之前能承受更大压力的一个原因。

受玻璃海绵晶格启发，乔安娜和卡蒂亚共同合作设计出了新的晶格结构并申请了专利。新的结构在不增加重量的情况下强度变强了，可以建造出更長的桥梁、更轻的便于交通运输的基础设施，甚至更精简的太空交通工具——这是生物（海绵）经过数百万年的进化，通过反复试错才得到的。

待解的谜题

然而，为什么玻璃海绵会进化出这种结构，目前研究人员尚不清楚。

玻璃海绵通常生活在数千米深的水下，虽然那里的水压非常大，但这种压力是来自四面八方的，对其玻璃横梁来说，所受的压力是相等的，会彼此抵消。换言之，水底的压力并不会对它产生威胁。

还有，玻璃海绵以水中最小的浮游生物为食，因此，它确实需要一个坚固的结构来支撑并过滤水中的浮游生物。此外，玻璃海绵中央腔内常寄居一对俪虾（虾在幼虫的时候住进去，长大之后就逃不出来了，靠流进中央腔的水流而获取食物，仿佛与海绵结成了夫妻），它坚固的骨架一方面可以保护“伴侣”，防止其被天敌捕食，另一方面可以帮助其减少可能来自其他动物碰撞所产生的伤害。

但是，这些并不足以解释玻璃海绵骨架为什么会如此坚固。

除了坚固性外，玻璃海绵是如何通过这种坚固的网状结构来过滤水的，它坚韧的玻璃横梁的蛋白质硅分子是如何排列的，为什么每个格子中都有些玻璃细丝在轻微摆动而不与其他玻璃横梁完全相连——这些问题，研究人员也想知道。他们表示，目前对玻璃海绵整个骨架的了解只是处在初级阶段，“更深的探索”还在进行中。

无论如何，现在你还认为海绵都是“软绵绵”的吗？

（刘谊人摘自《大科技》2022年第12期）