仿生材料课件

仿生材料,概述,我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就是仿生材料.,1.研究背景,人类探索自然的历程经历了数千年,然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6亿年前的单细胞组合开始,造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽,直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。,2.国内外研究现状,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,3.1仿生材料学定义,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(biomimeticmaterialsscience),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。,仿生材料学的具体研究内容,我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。,例子,举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。,3.2仿生材料化学,著名的生物矿化和仿生纳米材料学家,英国Bristol大学S.Mann教授在2002年美国Gordon会议上有一个题为“基质诱导成核:一个矿化过程的介观现象?”的精彩报告。报告指出,生物矿物通常在有机的模板如大分子框架、脂膜或细胞壁表面合成。因此,第一需要理解生物源的矿物生长和形态发生,例如,磷酸钙、碳酸钙和氧化硅如何在有机分子和有机表面存在时发生沉积过程。第二,利用生物结构和系统,在实验室内模拟矿化过程,从而在有机组分如病毒和细胞内合成无机材料,这将是仿生材料合成最主要的推动力。第三,生物矿物的力学性质的研究,为具有高的断裂韧性和强度的人工骨等人工合成材料的制备提供方法,3.3仿生材料设计（仿生陶瓷材料）,陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点问题之一，也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一.现在人们提出长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施，也取得了积极的成果，但是这些措施很有限，没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题.贝壳珍珠层(图1)通过简单组成和复杂结构的精妙组合获得了优良的综合性能在珍珠层中，报石含量为99，以蛋白质为主的有机质不到1%.正是这些有机质将不同尺寸的报石晶片按特殊的层状结构构成了这种复合材料，其断裂韧性比纯报石高出3000倍以上。,由此得到启发，可以用简单的成分进行复杂的结构组合，改变以前复杂成分简单结构的设计思想，这样更可以提高材料的性能.陶瓷材料的这种仿生结构设计，在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路.设计时可以考虑:简单组成，复杂结构;引人弱界面层，使裂纹在弱界面层中消耗大量的断裂能;采用非均质设计，精细结构.黄勇等用基体陶瓷层(如四氮化三硅)模拟报石晶片，弱界面层(氮化硼)模拟有机质层制备的纤维独石结构陶瓷的断裂韧性高达24MPa耐断裂功高达4000J/m2以上.根据对珍珠层进一步的研究，我国学者还设计了从芳纶纤维增强环氧树脂叠层仿珍珠层复合材料.,材料弯曲实验表明，这种仿珍珠层结构的断裂功比对应的陶瓷提高了两个数量级采用生物矿化的原理制造陶瓷薄膜涂层可以有效地克服传统薄膜制造技术的弱点，生物陶瓷材料均是在常温常压下形成，且对晶体结构粒径、形态及晶体学定向进行严格的控制.目前这种仿生陶瓷薄膜涂层制造技术已成为仿生材料工程的重要研究方向之一.另外有机大分子调制技术的出现，为生物陶瓷的制备和性能优化提供了极好的途径，同时为解决陶瓷脆性问题提供了新思路，并可能导致材料设计和制备领域的一次革命.,3.5先进的制造装配技术分子自组装,与人工合成生物材料相比,自然界广泛存在的天然生物材料常常具有人工材料无可比拟的优越性能。例如:迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质,海洋生物能长出色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳,天然骨具有高度复杂的多级结构。图2为象牙的分级结构示意图,事实上,漫长的生命演化过程可以看作是一个分子进化、分子自组装进化和作为动植物机体的基石天然生物材料的长期选择、更新和自我优化的过程。因此,许多天然生物材料内部结构之精细,有机和无机分子间相互组装所形成的多级结构之巧妙,能在无机和有机两种组分的性质有极大差别的情况下组建出具有特定功能又非常可靠的界面。如此等等,都是对当今材料科学与工程的挑战。目前已有一些学者采用分子自组装方法仿生制备功能材料,图3是模拟骨自组装结构的一个例子。,4.材料仿生的智能化,自组装就是近年来发展起来的借鉴于生物学现象及其原理的新科学领域,是一种普遍存在于生命体系中的现象。大量复杂的、具有生物学功能的超分子系统(蛋白质、核酸、生物膜、脂质体等)正是通过分子自组装形成的。目前已有用生物分子将纳米晶和纳米管装配起来的研究。总的来说,目前国际上关于自组装方面的工作主要有3个基本类型:,1)以自组装的单分子层(self2assemblymonolayer)为代表的界面自组装,包括SAM、L2B薄膜、LISA以及软印刷术等。2)以亲水疏水相互作用为主的三维超分子组装体。令它们具有相连的位置,以便聚集起来形成更大的集合体,然后使这些集合体结晶或用来形成部分指定的片段。当集合体能被设计出来聚集并形成特定的超分子结构时,纳米大小组织的控制即已达到最高水平。3)主体客体模板组装。应当着重指出的是DNA指导下的组装是一种有潜力的纳米装配。最新一代通过电场控制的活性DNA阵列(nanogen)可能会用于纳米制作。这些活性的微电子装置能够将生物大分子(DNA、RNA、proteins、enzymes)、纳米尺度、细胞及微米尺度粒子输运到装置表面的实验场所。当DNA杂化反应进行时,这些装置能够在电场下指导DNA分子在芯片的特殊位点上自组装。这部分研究正逐渐成为自组装领域的热门课题。,随着生命科学的发展,人们对生物体的认识进一步深化。生物体中细胞能分泌出特有的细胞外基质。它们是蛋白质和糖胺聚糖构建的物理、化学交联网络。细胞与细胞外物质组成一个物质、能量和信息传递的开放体系,构成要素间存在多重相互作用。人们发现了一种新的功能,即对环境刺激的高度非线性响应。这种响应性源于相互作用的高度协同。深入了解生物大分子的协同相互作用,模仿其协同行为来构思生物医用材料,可使材料具有所期望的宿主响应,即实现智能化。,仿生材料研究的设想及其应用,.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.能量重组生物为了维持生命,能够非常高效地进行各种能量之间的相互转换,这是在广阔的生物界都能看到的现象。例如,人们对萤火虫的发光机制作了研究,其发光原因是由于化学能高效率地转化为光能。虽然人类在化学领域中已体验了遗传信息的钥匙-核酸的魅力,在试管中实现其功能的研究也取得了很大的进步,但是像萤火虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭,人类寻求新能源的任务已迫在眉睫,如果能够找到象某些生物那样能够高效率地进行能量变换或者能量重组的材料与方法,将为人类的未来带来希望和光明。,含羞草在受到刺激后会在最快时间内“通知”全体叶片和叶柄，这是怎么回事呢？仔细观察，就能看到在含羞草的小叶片和叶柄、叶柄和茎相连接的部位有一个膨大的部分，它就是含羞草对刺激反应最敏感的部位，叫叶枕。叶柄里充满了水分，并保持很大的压力，当你用手指去碰含羞草的时候，叶枕下部细胞里的水分，马上向上部和两侧流去，于是叶枕上半部分鼓起来而下半部分就瘪下去了，叶柄就低垂下去。叶柄原来是淡绿色，当含羞下垂时，叶柄颜色立即加深，变成深绿色，这就是因为水分分散流开的原因。受到启发的，日本奥林巴斯公司的科研人员研制出了一种