自然界(例如生物体)存在的纳米材料及其特性功能

自然界（例如生物体）存在的纳米材料及其特性功能

摘要:纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术技，则是在纳米尺度(1到1000纳米之间)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，纳米材料是其主要的研究对象与基础。事实上，纳米技术并不神秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂。在地球的漫长演化过程中，自然界的生物，从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌… 应该说，它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，在大自然中地顽强存活着，不仅给人们留下了深刻的印象，而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。

关键词 :纳米材料；生物纳米材料；仿生材料。

一，纳米材料

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。

真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。

到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。

二，自然界中的纳米材料

1，自然界中的各类纳米现象

自然通过数千万年进化出来的生物体有着人们无法想象的复杂性。微观角度看,很多生物体特殊的功能都与纳米息息相关。更加令人惊奇的是,不仅生物体所用的材料尺度是微观的，而且，生物体还对这有机、无机材料进行了进一步的处理，使得整体显示出一种微观度上的高度有序性,同时，正是由于这种微观尺度上的有序组装,使得材料的性质与普通宏观材料显示了极大的不同。进一步研究发现,生物体采用这些组装结构都与其所需性能密切相关。首先 ,在材料的机械性质上 ,微观尺度的组装能够极大的提升特定材的机械

性能。通过对贝壳、牙齿、骨骼等的研究发现 ,这些生物体中最坚硬的部分,其主要组成为各种无机矿物质,如碳酸钙、二氧化硅、轻基磷灰石等。尤其是碳酸钙 ,其被大量用作无脊椎动物的保护部分,如贝壳、甲壳等。这种常见的化合物,在我们的建筑上随处可见,其本身的强度和硬度是有限的,原本不足以抵抗外界很大压力。然而,生物体却创造性的使用了有机、无机杂化的方法,并通过微观尺度上的组装,增强了其机械性能,使得这种矿物质能够满足生物体保护自身的作用。以软体动物贝壳为例,经研究发现其主要成分为碳酸钙的两种最稳定晶型之一:方解石或文石。这些碳酸钙一定的方式组织起来,尤其是珍珠质部分,这部分材料呈一种有序的堆叠结构。这种结构与建筑上常用的砖泥结构相类似,以碳酸钙晶体 (多为文石)单元为“砖”,以有机体如蛋白质等为“泥”,使用层层堆砌的方式形成如图1所示。研究发现,这种结构比普通碳酸钙矿物有着更高的强度和硬度,可以很好的分散外界的压力,从而起到保护和支撑生物体的作用。

图1 贝壳珍珠质层中有机无机杂化等级结构的SEM图及示意图

生物体选用的有序材料不仅用于提升机械性能,在光学性能的提高上,生物体也显示了强大的实力。一种被称为结构色的生物体显色方式被发现是纳米层次上的有序和无序结构相互作用的结果。生物如蝴蝶(图2 (a),(b))、鸟类(图2 (e),(d)),蛾子等许多有着非常绚丽的色彩研究发现,这些色彩不一定是色素产生的,很大一部分与生物体微观结构有关。电镜观察发现,这部分生物体通过将微观材料在特定度空间的排列,使得某一波段的可见光在其间发生干涉、衍射或散等,过滤出特定波长的光,从而显示出美丽的色彩。这其中最著名的是光子晶体,这是一类特殊的晶体,其原理很像半导体,有一个光子能隙,在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型,它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅,其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构,随着能隙位置的变化,反射光也随之变化,最终显示出绚丽的色彩(图2 (e) ,（f))。