关于仿生材料与环境保护关系的研究

自然辩证法概论

沈阳航空航天大学

关于仿生材料与环境保护关系的研究

姓名：黄高仁

学号：142102070105

专业：材料学

指导教师：王秀华

2015.4

一、选题意义

科学研究是为人类服务的，大量的科学研究内容是现实生活中产生的。例如，目前世界上热门的超导技术和超导材料的研究是基于长距离输电能耗问题所提出的：研制抗癌药物更是人们现实生活在迫切需要解决的问题。

显然，如今环境污染严重，环境保护就成了迫在眉睫的问题。法国作家雨果曾说过：“大自然是善良的慈母，同时也是冷酷的屠夫。”当人类欢呼对自然的胜利之时，也就是自然对人类惩罚的开始。地震、海啸、沙尘暴、气候变暖、雾霾天气等，这些无不是大自然的怒吼，同时也为我们敲响了环保的警钟！

中国是一个新型的发展中国家，在高新技术领域（特别是民用领域）还没有达到欧美发达国家的水准。所以，中国的环境保护问题绝不是制度问题就能解决的，好的制度和好的监督只能一定程度上防止污染大规模化。但是归根到底，解决环境污染问题还要从科学技术上着手。

科学技术是一个十分宽泛的话题，我仅从我的专业材料方面，来讨论关于仿生材料与环境保护关系的研究。

长期以来，材料的生产—使用—废弃过程，可以说是一个提取资源，再大量地将废弃物排回到环境之中的恶性循环过程。在这一过程中，人们在材料设计时很少注意到自然资源和生态环境对此恶性循环的承受能力。基于此，曾汉民提出了促进可持续发展的材料设计与自然资源密切关系的模式，它充分反映出材料的设计、应用与环境、资源的和谐、协调。他认为化学组成、物理结构是材料的两个基本要素，决定了材料的性质、使用性能和制备工艺。同时，这些因素与环境及资源都紧密相关且相互作用。

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。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。

生物材料最显著的特点是具有自我调节功能，就是说作为有生命的器官，生物材料能够一定程度地调节自身的物理和力学性质，以适应周围环境。有些生物材料还具有自适应和愈合能力，所以，如何从材料科学的观点研究生物材料的结构和功能特点，并且用以设计和制造先进复合材料，是你当前国际上材料科学研究的一大特点。

做个简单的举例说明，人类的动力之源——心脏，能够跳动80年而不停止工作。从材料学的观点来看，仅仅利用极少的高分子材料所构造的器官能够达到这种匪夷所思的效果，简直无法想象。试想一下，如果机器的发动机也能仿造心脏，几十年不停地工作，人类对大自然的索取难道不会大大减少吗？

当然，这个例子现在看来还有点不切实际。但“荷叶效应”和“非光滑表面理论”的同时发现和相继发展，对制造出体表不被脏污粘附的仿生材料已经有所进展。试想一下，如果全世界每个人的衣服都能不粘附脏污，人类洗衣服的次数将呈指数性下降，每年可以减少多少生活用水污染？

本课题研究的目的就是阐明仿生材料对环境保护的巨大作用，并简单介绍国内外对仿生材料的研究进展，并研究当前急迫的环境污染问题是否能用有关仿生材料从根源上进行防治。

二、国内外研究进展

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。

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。

树材由外向内依次是周皮、韧皮部、形成层、木质部和髓部(髓心)。树干的基部粗、上部细，呈圆纤维状。树木增粗时由形成层向外分化为韧皮部细胞，向内分化为木质部细胞。通过形成层的活动，在一个生长季产生的次生木质部，在横切面上出现一个完整的结构称为生长轮，或者生长层；在每个生长季形成一个生长轮，称为年轮。树木的年轮是以圆锥套状一层层地向内累加( 以髓为中心)。木材细胞壁是木材年轮结构的物质基

础，也是木材具有一定强度的物质基础。今日淳一等发现，木材以髓心为中心，至12 、13 个生长轮，生长轮的宽度逐渐减小，以后大致一定；而且，从髓心至树皮、管胞和木纤维的长度逐步增长，木材密度也逐渐增加。作为木材年轮结构基础的纤维细胞壁中的纤维分子聚合成束状，称为微纤丝。在微纤丝之间填充着半纤维素和木素，细观结构极其精妙。木材纤维细胞壁的这种精细结构和整体的年轮状结构，使木材具有优异的力学性能。

目前大多数合成材料是利用模具通过热压加工而成的，这种材料容易在不同材料的连接处或者在层间发生应力集中。生物材料的层状结构是生理系统在温和条件下实现的无粘结或无螺栓连接，是一种缓慢渐进的过渡连接。模拟这种连接，可以避免层间的应力集中。胡巧玲等利用原位沉析法制备了具有仿年轮结构的壳聚糖棒材，SEM分析证实这种壳聚糖棒材具有同心筒状层叠结构，且径向有序，各向异性，因而具有较高的力学强度，其弯曲强度为92.4MPa，弯曲模量为4.1GPa，剪切强度为36.5MPa，远大于松质骨的弯曲强度要求(20MPa), 接近于皮质骨弯曲强度要求(100MPa)，有望作为骨折内固定材料。

从宏观到细观再到微观，结构仿生不断从生物界获得灵感。结构仿生正沿着多功能、智能化、集成化和微型化方向快速发展，只有重视并加强多学科协作，建立和完善仿生学理论，才能进一步扩大结构仿生的工程应用，推动技术进步。我们必须承认仿生材料学尚处于摸索时期，各领域有待开拓，目前付诸实施的工程十分有限，但有一点可以明确，如果科学家们能够找到一些控制自然过程的神奇因素，那么一个科学变革时代的到来将指日可待。

三、研究方法

1、对当前社会存在的重大环境污染问题进行调查与问卷，了解人民对于哪些环境污染问题最为关心。

2、寻根溯源，对于人民关心的重大环境污染问题进行调查，了解其产生的原因及方式。

3、进行问题研究，查找相关资料与询问有关专家，以上重大环境污染问题是否可以用仿生材料科学给予解决方法。

4、做出总结，哪些重大环境污染问题可以由仿生材料学在哪些方面提供帮助，哪些环境问题不能由仿生材料学给予解决方法。

四、时间分布计划