冰模仿生
1．用「冰」如神
冰雪曾是戰場的法寶。例如在第一次世界大戰，義大利和奧地利在阿爾卑斯山的特羅爾地區交戰，雙方經常用大炮轟擊積雪的山坡，製造人工雪崩來殺傷敵人，死於雪崩的人數不少於四萬。
我國古戰場則提供了許多更有趣的用「冰」如神的範例。翻到古典名著《三國演義》第五十九回：
話說曹操與馬超大戰於渭河。操撥三萬軍士取渭河沙土欲築土城堅守。超差龐德、馬岱各引五百馬軍，往來衝突；更兼沙土不實，築起便倒。是時天氣暴冷，彤雲密布，操立不起營寨，心中憂懼。
忽人報曰：「有一老人來見丞相，欲陳說方略。」操請入。見其人鶴骨松姿，形貌蒼古。問之，乃京兆人也，隱居終南山，姓婁，名子伯，道號夢梅居士。操以客禮待之。子伯曰：「丞相欲跨渭安營久矣，今何不乘時築之？」操曰：「沙土之地，築壘不成。隱士有何良策賜教？」子伯曰：「丞相用兵如神，豈不知天時乎？連日陰雲布合，朔風一起，必大凍矣。風起之後，驅兵士運土潑水，比及天明，土城已就。」操大悟，厚賞子伯。子伯不受而去。
是夜北風大作。操盡驅兵士擔土潑水，比及天明，沙水凍緊，土城已築完。細作報知馬超。超領兵觀之，大驚，疑有神助。
夢梅居士一個「用冰」的簡單方略勝過數萬雄兵，讓神勇馬超不得不嘆服敵手的智慧更神妙。
戰場用「冰」如神，神則神矣，然而「一將功成萬骨枯」，殺戮氣太重。但願殘酷的戰爭永遠遠離人類，永遠封存在希臘神話的潘多拉盒內或禁閉在《水滸傳》的伏魔殿，至多在舞台銀幕或遊戲機虛擬留存。
2．冰花雪韻
如果沒有冰花雪韻，人類的文學藝術一定遜色不少。見圖1，雪花晶瑩剔透，周期對稱，卻又靈動變化，確是大自然送給人類的神奇禮物。李白一句「欲渡黃河冰塞川，將登太行雪滿山」，讓壯志難酬的苦悶與豪氣充溢冰雪宇宙。柳宗元一句「孤舟蓑笠翁，獨釣寒江雪」，給廣袤無垠、萬籟俱寂的雪景配上遺世獨立、峻潔孤高的心靈絕唱。當然飛雪冰花在更多的時候被視作春的使者、鮮花的化身或伴侶：
忽如一夜春風來，千樹萬樹梨花開。
——岑參《白雪歌送武判官歸京》
柳翠含煙葉，梅芳帶雪花。
——高正臣《晦日置酒林亭》
紅花初綻雪花繁，重疊高低滿小園。
——溫庭筠《杏花》
冰花和鮮花，將冰清玉潔與燦爛春光同時帶給人類，讓生活充滿詩意。
圖1 周期對稱卻又靈動變化的雪花
3．貝殼的冰模仿生
冰棱在科學家的手中又成了創造發明的魔杖。利用水結冰時所含雜質的偏析現象可以凈化工業廢水，有科學家靈光一閃，利用結冰時雜質的偏析現象，冷凝三氧化二鋁陶瓷顆粒懸浮液漿，製造出了類似貝殼珍珠母層的結構。這種冷模鑄造（freeze casting）仿生的方法見圖 2，在事先設計好的地方引入結晶核使冰棱像手指一樣沿著一個方向生長出冰晶層。
圖2冷模鑄造（freeze casting）
冰晶生長過程中，會將大部分的陶瓷顆粒排開，使之在層狀冰晶之間形成層狀多孔陶瓷，然後由蒸發去除水分，注入聚合物。見圖3A，光亮層是陶瓷層，暗層是聚合物。
這樣製造的陶瓷層板的陶瓷相體積分數還太低，於是科學家在垂直於層的方向加壓使之緻密，然後燒結，形成如貝殼珍珠母層的磚塊-灰漿結構，見圖3B。此時陶瓷相的體積含量可達80%。
還有一個難題，就是如何模擬貝殼珍珠母層中文石晶片的發育成熟和未發育成熟的礦物橋。科學家在懸浮液中加入蔗糖，將陶瓷層片的表面改性，見圖3C，陶瓷層片表面出現了連綿起伏的微型丘陵，較為成功地模擬了貝殼文石晶片的表面。經燒結，陶瓷層片某些表面突起被燒結連接，形成了仿生礦物橋，見圖3D。
圖3 A.冰模鑄造的陶瓷層（亮層）和灌注的聚合物層（暗層）
B.垂直於層的方向壓實後燒結成的磚塊-灰漿結構
C.懸浮液中加入蔗糖使陶瓷表面改性，出現連綿微型丘陵
D.燒結後出現仿生礦物橋
4．增韌效果
實驗表明，冰模仿生陶瓷複合材料的韌性比其組分材料的韌性提高了300倍以上。為了研究增韌機制，科學家進行了拉伸實驗，觀察裂紋的萌生和擴展過程。
圖4A顯示，與天然貝殼一樣，冰模仿生陶瓷複合材料的裂紋也是沿粘結層萌生和擴展，傳播途徑呈之字形，增加了能耗。圖4B顯示，仿生陶瓷複合材料的失效形式不是像工程陶瓷一樣直線解理斷裂，主要是陶瓷片粘滑拔出，同時，裂紋的萌生和擴展呈彌散狀而不是局部集中，複製了貝殼的增韌機制[3]。
圖4 冰模仿生陶瓷複合材料的斷裂：
A.裂紋沿粘結層之字形傳播
B.陶瓷片粘滑拔出
傳統方法仿生的陶瓷層片的厚度要比貝殼的文石晶片至少厚兩個數量級，利用冰模仿生縮小到了一個數量級，特別是冰模仿生模擬了了礦物橋及其與粘結劑協同的增韌機制。但是仿生陶瓷與貝殼的差距仍然是明顯的，不僅是仿生陶瓷層片的厚度仍大一個數量級，還有成分的差距，活體鮑魚殼生物膠體積含量僅為5%左右，生物陶瓷體積含量約為95%，而冰模仿生的陶瓷含量還只能達到80%左右。
有一句諺語：在大海的沙灘上可以拾到各式各樣的貝殼，可是要索取珍珠，必須潛入海洋的深處。從認識貝殼的磚塊-灰漿結構的增強機制，到認識嵌套分級結構的裂紋多級偏轉強韌化機制，到認識礦物橋-有機膠蛋白質鏈的協同強韌化作用，再到冰模仿生，人類在不斷刷新潛入無垠科學海洋的深度。
讓我們為老科學家點贊，他們的不懈探索使我們在神秘莫測大自然面前不再妄自菲薄。讓我們為初登科學的蛟龍號潛水器的年輕朋友點贊，因為更為神奇美好的科學明天孕育於他們的出征宣言：
「我們出發了！」
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