其内层结构是硬泡沫塑料，相当于骨骼中心的疏松泡沫组织；中层结构是玻璃纤维增强的复合材料，相当于骨骼中间质地较柔韧的骨纤维与骨质素的复合体；外层结构是刚度、强度都很高的碳纤维复合材料，相当于骨骼表面质地坚硬的骨纤维含量高的组织。仿生设计不仅提供了生动活泼、丰富多彩的设计思路，而且还可以启发人们参照生物体的功能机制设计出新型的功能复合材料。
§§§第三节研制材料的新方法
在我们这个丰富多彩、千姿百态的物质世界中，琳琅满目的材料何止万千！除了少数材料，如石头、木材等，是大自然馈赠的天然材料外，绝大部分是经过人们加工或由人们合成出来的人工材料。这些材料是怎样研制出来的？目前研制材料有什么新方法？
永不满足于大自然的馈赠
人类从距今两三百万年开始，先后经历了石器时代、铜器时代和铁器时代。在现代生产中，已由钢铁等金属材料为主的局面，逐步向着金属材料和非金属材料并驾齐驱的局面过渡，出现了越来越多的人工合成材料，形成了一个规模宏大的、相互渗透的材料体系。材料和能源、信息共同组成了现代科学技术的三大支柱。
然而，截止于1983年联邦德国科学家发现第109号化学元素，地球上已经发现的化学元素总共才109种。凭借着化合、混合、溶解、复合等一切可以使元素之间相互作用的方法，对分子结构进行各种排列组合，形成了各种各样的材料。到1976年底，全世界已经注册的正式材料达到了25万种，并估计每年以5％的速度递增。如果这种估计符合实际情况的话，那么可推算出目前全世界材料的种数已经超过了60万。
人类的物质文明发展史告诉我们：人们永不满足于大自然的馈赠，总是在馈赠之外，用自己的聪明才智和勤劳的双手，不断地研制、创造着各种新材料，共同来营造我们赖以生存的物质世界。然而，由于各个时期的历史局限，特别是受到科学发展水平的限制，人们早先只能凭借着长期积累的经验和直观的感性认识，主要依靠大量的实验来摸索、筛选和研制新材料，走着一条坎坷不平的、漫长曲折的道路。让我们用爱迪生发明电灯的故事来说明这一点吧！
“低能儿”的发明
大家知道，爱迪生（1847—1931年）是一位世界著名的大发明家，他一生完成了2000多项发明，1910年他正式登记的发明项目就有1328项。其中白炽灯是他在1879年获得的一项专利发明。
爱迪生出生在美国俄亥俄州的穷苦农民家庭。他在学校读过三个月的书，后来被老师、同学欺凌，嘲笑他是“低能儿”，被迫退学。少年爱迪生只好一边做工，一边在母亲的教导下读书。他非常勤奋好学，11岁就读完了《大英百科全书》，12岁在火车上卖报，同时坚持自学并亲手做实验。15岁那年，他在火车上做黄磷实验时，不慎着火，结果挨了列车长一记重重的耳光，右耳被打聋。爱迪生不得不离开火车，但他创造发明的雄心壮志并不减弱，继续在艰苦的生活环境中煎熬，实验、失败、再实验、再失败，甚至在实验中受伤，也在所不惜。
晚上，爱迪生在昏暗的油灯下看书，做实验。有一次，当他看到两根通电流的电线偶尔碰在一起，发出了耀眼的火花，给黑暗带来了一线光明，他就琢磨着如何利用电流发光，萌发了创造电灯的念头。他仔细观察了产生火花的两根电线，发现接触处被电流通过时的高温熔化了。他认识到制造电灯的关键是必须寻找经久耐用的灯丝。怎么寻找呢？他只能从现有的材料中一个一个地试验。他先后找了棉花、稻草、鱼骨等，把它们在高温下隔绝空气碳化，制成碳化纤维，又找了一种称为赛璐珞的高分子化物，还找了1000多种毛竹进行试验，总共试验了6000多种灯丝材料，最后终于确定日本产的毛竹比较符合要求，因为它的纤维紧密，碳化后电阻值高，能经受较高的电压，制成的灯泡较亮，使用寿命也比其他材料的灯丝来得长。爱迪生不惜重金，向远隔重洋的日本农民购买毛竹，生产了世界上第一批白炽灯。
“配方式”或“炒菜式”
爱迪生的这一发明经历，自然说明他孜孜不倦、百折不挠的研究精神。
我们在钦佩之余也不免为他惋惜。爱迪生为寻求灯丝材料付出了多大的牺牲和代价，花费了多少宝贵的时间啊！无怪乎有人说，要是爱迪生在这方面少费些时间和精力，他的一生中一定会有更多的创造发明。但话又说回来，在当时的科学水平下，人们对各种材料的内部结构和性能还不甚了了，不采用这种逐个筛选的试验方法，还能采用什么方法呢？爱迪生从6000多种材料中确定日本毛竹为灯丝材料，这在当时称得上是杰出的成就，但它同样带有历史的局限性。爱迪生终究只试验了6000多种材料，他没有试验到8000种、10000种，甚至更多些，他仍然没有找到理想的灯丝材料——钨。
上述研究方法，就是先凭经验选择某种材料，做成试样，加以使用；若使用不满意，再调换材料，重做试验，直到挑选到合适的材料为止。其实，在我国明代名医李时珍编著《本草纲目》时，就运用了这种方法。我国古代还有“神农氏尝百草”的传说，就是由神农来亲口尝一尝草药的味道，以确定哪些草药可以治病，哪些草药不能治病。就好比家中炒菜，要做出美味佳肴，选用何种主料、何种副料，以及油、盐、酱、醋等，大多是靠经验搭配，经不起人们“打破砂锅问到底”。所以这种比较古老、原始的研制材料的方法，又称为“配方式”或“炒菜式”的经验方法。但是，随着科技和生产的发展，人们已无法安于这种现状，他们从低效率的经验方法中醒悟过来，开始从宏观转向微观，向着物质微观世界的深度和广度进军，以寻求材料特性的客观内在规律，总结出一套崭新的研制材料的方法。
§§§第四节向物质的微观世界进军
宏观性能与微观结构
不同的材料具有不同的性能，例如，金属材料具有光泽，有较高的强度和塑性，有良好的导电性和导热性；陶瓷材料硬而脆，但耐高温，耐腐蚀；塑料等有机高分子材料密度小，耐腐蚀，电绝缘，但易老化，不耐高温。上述性能，以及材料的外形、色调和聚集状态等，都能直接地表现出来，为我们的感官所感受到，属于材料的宏观性能。然而，材料的宏观性能是物质内部结构的反映。换言之，材料的宏观性能取决于物质的微观世界。所谓物质的微观世界，是指材料内部结构的微观差别，包括原子核的外层电子排列方式、原子间的结合力、晶体结构、分子组成、分子结构等。只有认识了材料的微观结构，才能找到材料具有某种性能的根本原因，从而设计出我们所需要的材料。
惰性气体的原子最外层有8个电子，是稳定的结构，不易起化学变化。
其他元素的原子最外层电子数都小于8，因此它们都有得失电子的可能，趋于形成稳定的结构。由重新分配最外层电子而产生的原子间的化学结合力，称为化学键。我们可以用材料的化学键来解释它们为什么表现出不同的特性。
金属材料都具有金属键。金属原子失去最外层的电子成为正离子，脱离原子的自由电子形成所有原子共有的“电子云”，固态金属正是依靠各正离子和自由电子的相互作用，即金属键，使金属原子紧密地结合在一起的。金属之所以有光泽，是由于自由电子容易被可见光激发，跳到离原子核较远的高能级，当它重新跳回原来的低能级时，就把所吸收的可见光的能量，以电磁波的形式辐射出来，从而表现出金属的光泽。在正离子的周围充满了自由电子，故各个方向上的结合力相同。固态金属各层原子发生相对位移时，金属键的结合力仍可保持，故金属可发生较大的永久变形而不断裂，即具有良好的塑性。金属中热能传递不仅依靠正离子的振动，而且依靠自由电子的运动，故金属有良好的导热性。当金属中有电位差时，自由电子就要向着高电位方向移动，形成电流，自由电子定向移动受到正离子的阻碍较小，就表现出良好的导电性。
塑料、橡胶等高分子材料，其相邻原子间通常以因共有电子而产生的结合力即共价键结合，原子核外的电子只能在相邻的两个原子核之间移动，缺乏可以自由运动的电子，即使在电位差的作用下，也无法形成电流，故表现出电绝缘性。
掌握了上述微观结构同导电性的关系，我们就可以人为地使高分子材料导电，如设法在高分子材料中掺入铜粉、银粉、碳料等导电微粒，也可以把乙炔聚合成聚乙炔，它具有共轭双键，电子可以在其长分子链中运动，因而具有导电性。这样就可以按照我们的意图对材料进行改造。
进一步研究金属原子的排列情况，发现它们都是按照一定规则排列的晶体结构。约有90％以上的金属其原子排列呈下列三种常见的晶胞结构。
（1）体心立方晶胞：原子排列在立方体的各顶点和中心处，如铬、钼、钨、钒等，它们具有较高的强度和熔点，是研制高强度、高温合金的基础材料。
（2）面心立方晶胞：原子排列在立方体的各顶点和各面的中心处，如铜、镍、金、银等，它们具有良好的塑性和韧性，没有冷脆性，是研制低温合金的基础材料。
（3）密排六方晶胞：原子排列在正六面柱体的各顶点和上下面的中心，在正六面柱体的中间还有3个原子，如镁、锌、铍、镉等，因塑性、韧性差，很少用作结构材料。
晶体结构同金属宏观性能的这种关系，为我们研制新型合金材料指明了方向。
显微镜的功绩
应该指出，对材料的认识能够如此洞幽入微，是同生产力的发展、先进实验手段和仪器的产生分不开的。对微观结构的分辨能力用尺寸分辨率来表示。所谓尺寸分辨率，是指能予以分辨而不致混淆在一起的两点之间的距离。
人眼的尺寸分辨率取决于视神经末梢间的距离，大约为0.3毫米。
自从1676年世界上第一台显微镜问世以来，经过不断的改进，现在的显微镜放大倍数已达到2000—2500倍。光学显微镜的尺寸分辨率主要取决于照明光的波长，其分辨率一般为0.4—0.6微米。1950年出现了用波长更短的电子束来“照明”的电子显微镜，它的放大倍数通常为5000—20000倍，尺寸分辨率在理论上可达5×10-12米，目前为1×10-10—5×10-10米，相当于原子间的距离。用微探针和扫描电子显微镜等现代先进仪器还可对材料的微观结构进行化学分析，以确定组成物的化学成分。
分子设计
研究材料的终极目的，不仅是认识材料，更重要的是根据指定的性能，对已有的材料进行改造或重新设计出新材料。
正如裁缝师设计和裁剪衣服，工程师设计和制造机器那样，材料技术工作者也可以根据指定的性能，设计出材料的晶体结构和分子组成，从而制造出所需的材料。这种按指定性能设计材料的新方法，称为分子设计。下面以高分子合成材料为例，简单介绍一下分子设计的方法。
高分子合成材料，如合成树脂、合成橡胶、合成纤维等，是由低分子量的化合物经过各种化学反应聚合而成的，其分子量一般在1000—10000000的范围内。从化学成分看，它们都是以碳氢为主的化合物，聚合物的链节是以碳原子为骨架，碳原子之间以共价键结合起来。按照链节在空间的排列形状，可分为线型结构和体型结构两种。
线型结构中，大分子链的链节排列成线型主链，也可能在主链的两侧带有许多不交联的短分支链。线型结构由于链条蜷曲，在外力作用下可以拉直伸长，因此具有这种结构的材料有着良好的弹性。它们在加热时软化，冷却后硬化，而且这一过程可以反复进行，故易于加工成形。这类材料称为热塑性高聚物，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、合成纤维等，都属于这类材料。
体型结构中，线型主链间的支链相互交联成网状，并向三维空间伸展。
体型结构的材料比线型结构的刚性大，但因链段活动困难，故弹性、塑性较低，甚至有硬脆性。只有在加热时，才发生塑性变形，一次成形后就不可逆转。这就是说，在固化后不能用加热方法使它们再具有可塑性，故称之为热固性高聚物，如酚醛树脂、环氧树脂、硫化橡胶等，都属于此类。
人们对高分子材料进行系统研究的历史并不长，但已取得了许多卓有成效的进展。例如，对高分子材料的链节结构进行处理，促使它们结晶，使分子排列得比较整齐，就可以提高材料的强度和刚度。聚丙烯树脂的高分子链排列得非常规则，其性能就比较理想。如果高分子链排列不规则，性能就会降低。对合成纤维进行多次熔融延伸，促使它在结晶过程中排列成整齐的线型结构，就可以获得高强度的合成纤维。在合成高分子材料时，用定向聚合的方法，使高分子链节按一定方向排列，或在支链上引入稳定的、较大的基团，都能提高材料的强度、刚度和热塑性。在塑料的分子侧链上引入氟、氯等卤族元素，可提高其强度和耐热性。这些研究成果充分体现出，分子设计对改进现有产品的质量和寻找新的聚合物都有实际的指导意义。
电子计算机的介入
目前，应用先进的电子计算机进行材料设计，已成为材料科学研究的重要方法之一。因为材料的品种数以万计，材料的性能同其组成的关系错综复杂，影响合金性能的因素非常多，仅成分之间的排列组合就不胜枚举，依靠经验的筛选和试验，无论在人力物力上，还是在时间周期上，都是无法令人承受的。
电子计算机的特点是信息容量大，具有记忆、逻辑推理和判断的能力，运算迅速而准确。所以，在材料设计中，用电子计算机可以建立材料的情报、信息网络和数据库；可以进行大量数据的处理，如精确计算出破坏某一个分子化学键需要多少能量，计算出合金的电子空位数，以估计高温合金中的有害相组分等；可以按照预定的程序进行运算和逻辑比较，确定材料的结构、成分和工艺的最佳方案。
用电子计算机进行材料设计，首先要对材料的性能同其微观结构的关系建立起一定的数学模型和一些定量表达式，并编制成计算机软件，然后根据指定的性能，用人机对话的方式输入计算机，计算机便开始一系列的运算，提出各种材料设计方案，供你选择。如果运用多媒体技术，还可以在屏幕上显示出材料的立体分子结构，让你对这个结构进行“裁剪”，把不需要的分子“剪”掉，“接上”需要的分子。在这一过程中，计算机不断征求着你的意见，对分子结构进行修改，最后它还会告诉你这种材料的制造方法，预测它的各项性能指标，直到让你满意为止。
