仿生材料

源于自然的力量——仿生材料

一、神奇的大自然——仿生学

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。

例如，荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走；海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能，使得黑夜观看成为可能；水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力……

道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。

仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出。仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料；材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生 3个方面。

二、了解仿生材料

仿生材料的定义

仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力，在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。

仿生材料的研究

国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代。目前,国

际上一流大学都已把生物材料放在优先发展的地位。中国生物与仿生材料研究者在这一领域已取得国际瞩目的研究成果。自1988年中国生物无机化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念介绍到国内后,中国的生物矿化研究开始逐渐形成规模。其中很重要的一个方面就是在学习矿化材料合成方法的基础上,研究并实施新的材料制备策略。而深入进行这些工作的一个重要前提就是表征天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理。

仿生材料的研究包括3个阶段：

1)对天然生物材料结构和功能的认识和感知；

2)对天然生物材料性能的研究；

3)仿生设计新型材料。

第一阶段主要是从大自然中探求具有优异独特功能的天然生物材料作为研究对象，从中寻求仿生材料的设计方法和灵感；第二阶段则是探究天然生物材料结构与功能形态之间的关系，并结合实验表征手段测定其性能参数，总结规律，揭示其构成机理和运行机制；第三阶段将深入到仿生学高度，建立仿生材料创新技术，实现其仿生设计方法和理念，由此研制新型仿生材料，为人类所用。三、仿生材料的研究热点

仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、竹纤维仿生材料、植物根部的网状结构和纳米仿生材料等。它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。

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%( 体积分数) 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。

蜘蛛丝仿生材料

从20世纪90年代开始,美国投入很大力量从事这项研究工作,并已取得许多重要成果。蜘蛛丝是庞大天然生物材料中的一员。天然蜘蛛丝是世界上最结实、坚韧的纤维之一,具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝和涤纶等,刚性和强度

低于KFVIAR和钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KFVIAR和钢材。因此,它比高强度钢或用来制作防弹服的KFVIAR纤维更坚韧,且更具有弹性,质量又轻。据科学家计算,一根铅笔粗细的蜘蛛丝束,能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。

与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程和纤维本身对人类与环境都是友好的。蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性和较高的干湿模量,是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外,蜘蛛丝还具有信息传导和反射紫外线等功能。

加拿大魁北克的科学家将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。不久,基因被改变的山羊产出的奶中就含有了蜘蛛丝的蛋白质。加拿大Nexia 生物技术公司总裁杰夫·特纳说,这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物,其强度可挡住子弹,还可降解,这种材料被称之为“生物钢”。生物化学家们认为, “生物钢”有广阔的应用前景,它在任何方面都优于石油化工产品。

纳米仿生材料

纳米材料(颗粒直径为1～100nm)以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用，编织了一个复杂与完美的生物世界。

生物纳米材料可分为4类，即天然纳米材料、生物仿生与人工合成的纳米材料、智能纳米复合材料、合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料，这是因为自然界动物的筋、牙齿、软肾、皮、肾骼和昆虫表皮等都是纳米复合材料。

四、仿生材料的成果

鲨鱼皮肤－泳衣

一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣——连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。

此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。

雌蛾求爱－防治害虫

我国科学家破译了雌蛾的化学语言后，研制出“仿生诱芯”，即人工合成雌性飞蛾吸引雄性飞蛾的激素的气味.然后将其加入一种硅橡皮塞中，置于诱捕器中，使其缓缓释放，引诱大量的雄蛾自投罗网，既杀虫，又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止，我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”，对我国主要农林害虫的测报和防治起了重要作用。

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