小小天然蜂窝里的大学问

　　天然蜂窝的研究价值不容小觑，其结构和力学性能对新型材料的研发有启发借鉴作用。王建祥教授等研究人员探索了天然蜂窝的微观结构和力学性能，并在实验观测发现意大利蜜蜂首先建造圆形截面的蜂窝孔而非六边形，为新型材料的研发开启了一个新的视角。
　　王建祥现任北京大学工学院力学与工程科学系教授、英国卡迪夫大学荣誉访问教授、中国力学学会常务理事等。他长期从事复合材料力学、非均质材料的力学和物理性能研究，近年来在天然蜂窝的微观结构和力学性能上也取得了一系列研究成果。近期，他与英国卡迪夫大学工学院的布尚·卡里哈鲁（BhushanKari-haloo）教授、北京理工大学宇航学院张凯博士合作，利用简单的力学模型揭示了天然蜜蜂蜂窝形成六边形结构的机理。该工作已发表在《皇家学会界面杂志》，并被《自然》网站、《探索》网站、《生命科学》网站、澳洲广播公司网站、美国《赫芬顿邮报》、《未来》网站等国际媒体广泛报道。小小天然蜂窝里究竟蕴含着怎样的学问？就此话题，记者对王建祥教授进行了采访。
　　王建祥对天然蜂窝结构的兴趣始于2005年。当时他的研究组主攻纳米复合材料力学的研究，和天然蜂窝并无联系。在研究过程中，他们发现，当多孔材料的孔的尺寸降到纳米尺度时，孔的表面效应对材料整体力学性能的影响很大。从人们的常识来说，多孔材料应该比实体材料的刚度低。以海绵为例，海绵的骨架是实体的聚合物材料，但由于孔隙度很高，它就变得很软。恰恰相反，王建祥研究组发现，当多孔材料的表面弹性性质超过某个临界值以后，其宏观的弹性模量有可能超过实体材料。
　　可目前这只是一种理论结果，现实中还没有找到这样的材料。于是王建祥与合作者开始琢磨，有没有别的办法来实现这一目标，既让多孔材料的弹性模量提高，又使它维持较低的密度。于是他们想到了在孔的表面镀上某种材料。最初，他们尝试用纯金电镀高分子材料，确实使材料的力学性能得到增强，但由于成本过高难以推广普及。
　　王建祥和他的合作者们没有就此停步，而是联想到了天然多孔材料，期待从中得到启迪。“自然界中有很多天然多孔材料，比如蜂窝、蚕蛹、动物骨骼、植物杆壁等等。蜂窝作为典型的天然多孔材料，如果能够启发人类制造新型多孔材料，将会有巨大的实用价值。会不会蜜蜂比人类聪明，早就学会利用表面涂层的方法来增加蜂窝的力学性能了呢？”王建祥这样说道。
　　带着这种疑问，王建祥的学生张凯从北京市蜜蜂研究所取回意大利蜜蜂的蜂窝样本，开始进行观测实验。由于蜂窝较软且蜂蜡粘稠，在切割蜂窝时他们遇到了意想不到的困难。但王建祥一直鼓励他的学生，在无数次失败后终于成功取得小块蜂窝的样本。张凯还通过让蜜蜂幼虫在玻璃片上吐丝，第一次测量到了天然蜜蜂丝的力学性能。后期，他们还深入到北京市房山区中华蜜蜂自然保护区，研究中华蜜蜂蜂窝性质。
　　人工蜂窝材料在航空航天领域的用途很广。为了经济环保地制造飞机，目前人们最新应用的是具有刚度高、密度低等特点的碳纤维复合材料。以民航客机为例，波音787客机50%的结构重量是由纤维复合材料构成，A380客机25%的结构重量采用了纤维复合材料。可以预见到，纤维复合材料将在航空领域得到越来越广泛的使用。
　　相比于人造纤维复合材料，天然蜂窝这种天然纤维增强复合材料的历史很长。虽然其力学性能不及先进的纤维复合材料，但蜜蜂的聪明之处在于，由天然纤维增强复合材料制成的蜂窝壁还具有很好的热稳定性，能够有效防止天然蜂窝受热变形。如果蜂窝壁由纯蜂蜡构成，则到45摄氏度左右就会软化。利用蜜蜂丝增强后，即使升温到45摄氏度，蜂窝壁仍具有很好的热稳定性。由此证实了王建祥他们之前的猜测，即蜜蜂通过表面涂层增加了蜂窝的力学性能。
　　张凯、段慧玲、王建祥和英国卡迪夫大学工学院的布尚·卡里哈鲁教授等人关于天然蜂窝的微观结构和力学性能的研究工作发表于《美国科学院院刊》后，几位新加坡学者受天然蜂窝也是层状复合材料的启发，利用碳材料仿造天然蜂窝的结构制成锂电池的电极，大大提高了电池的性能。王建祥谈到，现在工程中广泛使用的人工蜂窝，其壁都是均匀材料。如果仿造天然蜂窝的微观结构，通过表面涂层来增加它的力学性能，可能会带来意想不到的效果。
　　出于纯粹的好奇心，王建祥和张凯等对蜜蜂如何建造出完美的六边形结构产生了浓厚的兴趣。尽管历史上天然蜂窝的六边形结构引发了科学家的种种猜想，但蜂窝的建造是一个难以被观测的微观过程，迄今为止尚没有关于蜜蜂如何造出六边形结构的实验观测。于是王建祥他们想到在蜜蜂筑巢时把蜂窝中途取出，通过观测天然蜂窝的半成品来了解蜜蜂建造蜂窝的过程。研究结果令人吃惊：意大利蜜蜂首先建造的是圆形截面的蜂窝孔而非六边形！蜂窝孔的上端是圆形，而下部呈现出六边形结构，这说明蜜蜂是在筑巢的过程中逐渐把圆形的蜂窝孔变成六边形结构的。
　　为什么会这样呢？王建祥、张凯和布尚·卡里哈鲁教授合作进行理论了分析，给出了一种可能的解释：“曾有国外媒体报道蜜蜂在建造蜂窝时体温会升高到40摄氏度以上。可能是这种加热的过程使蜂蜡达到近乎融化的状态，通过表面张力把蜂窝的圆形结构拉成六边形结构。”很多人小时候都玩过肥皂泡，细心的人还会观察到几个紧挨着的肥皂泡其接触部分会在表面张力的作用下收缩到一点，从而改变肥皂泡的形状。天然蜂窝的结构和肥皂泡的原理近似，紧挨着的蜂窝孔之间发生力学作用，逐渐由圆形变成稳定的六边形。
　　此前，南非学者赫伯恩（HepburnHR）等也进行过天然蜂窝结构和力学性能的相关研究，测量了蜂蜡在不同温度下的力学性质，并指出蜂窝壁是一种纤维增强复合材料。王建祥等人关于天然蜜蜂蜂窝结构和性能以及六边形结构的研究成果发表后，引起了赫伯恩的关注和极大兴趣，他主动提出共享技术和资源，希望能够开展合作。也许天然蜂窝还蕴藏着更多有趣的秘密，等待着人们去探索。