《神奇的材料》结课论文

生命的启示

——仿生材料的应用及发展

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2016.6.5

生命的启示

——仿生材料的应用及发展革命导师马克思曾经说过：“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变成财富。”材料是人类赖以生活和生产的物质基础，是人们用以作为物品的物质。生产技术的进步是和新材料的应用密切相关的，因为材料的好坏，直接影响着生产工具的优劣和产品的价值，所以人类总是不断地去寻找、发现新材料，以促进生产，改善物质和文化生活。而新材料的应用，不仅可以大大促进科学技术和生产的发展，也使人类的活动方式发生日新月异的变化。

自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。人类从自然界的生物身上得到启迪，从而设计出了更完美的材料和物件。

例1.人造纤维

最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。

例2.人鱼传说

在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解在水中的氧气,供给身体使用。人们仿造这种特性,制作了薄膜材料,用于制造高浓度氧气、分离超纯水等,以达到节省能源以及高分离率的目的。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料,如果研制成功的话,人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。

例3.贝壳仿生材料

贝壳结构中的珍珠层属天然复合材料,其中95%是片状文石,其余5%是蛋白质—多糖基体。这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区。珍珠层中的文石晶体 C轴取向一致,与珍珠层垂直。

珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式是其高韧性的关键所在。根据这一原理把 SiC 薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料。该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍。采用叠层热压成型制备的SiC/Al增韧复合材料,其断裂韧性比无机 SiC 提高了2～5倍。Jackson等在研究 TiN/Pt 叠层微组装材料时发现：合成材料的硬度和韧性取决于TiN和Pt层的厚度,一定的TiN和Pt层厚度会使材料的硬度和韧性得到最佳结合。这样的材料不仅具有陶瓷材料的强度和化学稳定性,而且具有金属材料的抗冲击能力。当一层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这是一个非常值得深入追踪的领域。利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩和耐磨等方面加以应用。

例4.仿生荷叶

中国科学院化学研究所的仿生材料专家徐坚研究员和他的研究小组发明了制造“仿生荷叶”技术，这项技术将应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品，因而引起广泛关注。研究人员分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，不沾水、不沾油，同时，还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”可以用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘。

例5.超能吸水

植物也为我们提供了许多有趣的现象,例如我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果,在它的启发下,人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂,它是用特殊设计的高分子材料制造的,能够吸收超越自身重量数百倍到数千倍的水份,现在已用于废油的回收,既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话,将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技

术来代替。比如,将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可。

例6.成长型复合材料

植物在复合材料力学性能方面,也有许多独特的魅力。例如,从竹子的断面来看,一种称之为纤维束的组织密布在竹子的表皮,竹子的内部却很稀少,这样的结构形成了一种高强度的复合材料。但是当竹子还是竹笋的时候,这种纤维束在竹笋的断面上是均匀分布的,随着竹笋的生长,纤维束逐渐向外侧移动,最终形成最佳构造。再例如,树的年轮是由在冬天和夏天的生长不同而形成。这些能够方向性生长,形成高强度复合材料的过程,使人们受到了启示,最近,高分子世界已出现了研制这种方向型复合材料的动向,当然这并不是件易事。但这种成长型复合材料,也将是复合材料未来的研究方向之一。

例7.弹性膜材料

最后再举一例,用手触摸含羞草的叶片,它就会像动物那样收缩。在这一种启发下,日本奥林巴斯公司的植田康弘研制了一种可以伸到小肠里的内视镜,他在内视镜的筒状部分使用了一种与含羞草叶片表面结构相似的弹性膜材料,它在肠道流体的压力下,会沿着轴向自动伸长或弯曲,从而使内视镜的筒状部分与肠道保持同一形状。

现今，材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化，而仿生材料具有这几方面的特征。仿生材料学涉及面如此之广，它的发展或成功将影响到社会的各个角落。生物材料的一个显著特征就是具有多样化规模的组织结构。欧盟对未来仿生学的研究集中在两个方面：仿生材料体积小型化和功能多样化、仿生材料的有机复合。仿生材料目前的主要研究内容是仿照生物为适应内部与环境对其自身功能和结构的完美设计来构造生物材料的方法，用以制备生物相容的医用材料或性能优异的工程材料。仿生材料与生物医用及医疗材料是两个主要方向。

破解生物之谜,研制仿生材料的路还很漫长。目前人类的研究才刚刚起步,而仿生材料的前途似锦却是毋庸置疑的。根据时代的不断发展和纳米技术的不断成熟,纳米型仿生材料必定成为未来仿生材料研究人不懈努力的方向。