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仿生材料发展概况及前景展望 1 仿生材料概述 1 1仿生材料起源20世纪50年代以来 人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一 自觉地把生物界作为各种技术思想 设计原理和创造发明的源泉 20世纪60年代 美国科学家J steele在第一次仿生讨论会上 1960年9月 正式提出了仿生学的概念 于是仿生学作为一门独立的学科正式诞生 20世纪80年代以来 生物自然复合材料及其仿生的研究在国际上引起了极大重视 目前正在逐步形成新的研究领域 2 1 2仿生材料概念仿生学 bionics 是研究生物系统的结构和特征 并以此为工程技术提供新的设计思想 工作原理和系统构成的科学 它是一门生命科学 物质科学 信息科学 数学和工程技术等学科相互渗透而结合成的一门边缘科学 仿生材料 biomimeticmaterial 是指模仿生物的特点和特性而开发的材料 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 仿生材料学 biomimetics 是仿生学在材料科学中的分支 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 3 仿生材料的举例 长颈鹿能将血液通过长长的颈输送到头部 是由于长颈鹿的血压很高 这与长颈鹿身体的结构有关 长颈鹿血管周围的肌肉非常发达 能压缩血管 控制血流量 同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧 利于下肢的血液向上回流 科学家由此受到启示 在训练宇航员时 设置一种特殊器械 让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时 以防止宇航员血管周围肌肉退化 在宇宙飞船升空时 科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理 研制了飞行服 抗荷服 抗荷服上安有充气装置 随着飞船速度的增高 抗荷服可以充入一定量的气体 从而对血管产生一定的压力 使宇航员的血压保持正常 同时 宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中 这样可以减小宇航员腿部的血压 利于身体上部的血液向下肢输送 4 像鸡蛋那样的薄壳结构是如此的丰富多彩而变化万干 它们以最合理 最自然 最经济 最有效 最进步 最优美的形式竞相媲美 争放异彩 5 鲨鱼皮泳衣是人们根据其外形特征起的绰号 它的核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤 在鲨鱼的皮肤表面上分布着许多的齿状突起 它们能够保持好水流的流态 并产生具有卷吸作用的稳定的涡流 可以有效的减少表面磨擦阻力和压差阻力 鲨鱼皮泳衣精确的模拟了鲨鱼的表皮结构 其齿状突起科学的按照鲨鱼表皮的比例尺寸制造 使其更加符合自然规律 同时 在接缝处模仿人类的肌腱 为运动员向后划水时提供动力 鲨鱼皮泳衣的面料主要采用聚氨酯纤维材料 具有极强的伸展性 它更好的紧束人体外形 尽可能创造出流线性效果 同时还可以压缩肌肉 减少肌肉在水中的摆动 鲨鱼皮游泳衣是把仿生学理论和流体力学理论运用到体育领域里中的一次尝试 有专家甚至认为它是继比基尼问世以来在泳衣设计上的又一次跨时代革命 澳大利亚斯皮多 speedo 公司 鲨鱼皮泳衣 推出的结果 是世界泳坛多项世界纪录的诞生 6 天然蜘蛛丝是最坚韧的纤维之一 高强度 高长弹性 密度小 而且能传递信息 反射紫外线 是人类已知世界上最优良的纤维 长期以来 科学家一直在研究如何大量制造蜘蛛丝的方法 1997年初 美国生物学家安妮 穆尔发现 在美国南部有一种称为 黑寡妇 的蜘蛛 它吐出的丝比任何蜘蛛丝的强度都高 具有很高的防断裂强度 由这种蜘蛛丝织成的布 比制造防弹背心所用的纤维的强度还高得多 黑寡妇 蜘蛛丝的优良性能 很快引起科学家兴趣 他们设想 要是有一种办法能生产像蜘蛛丝那样的高强度纤维该多好 美国麻省国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技公司从 黑寡妇 蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊体内 让羊奶具有蜘蛛丝蛋白 再利用特殊的纺丝程序 将羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝 这种丝被称为生物钢 Bio Steel 用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍 而且具有如蚕丝般的柔软和光泽 而且还可以生物降解 不会带来环境污染 可用于制造高级防弹衣 还能制造战斗飞行器 坦克 雷达 卫星等装备的防护罩等 根据国外的资料报道 一只羊每月产下的奶提取的纤维 可以制成一件防弹背心 专家称 利用这种纤维制成的2 5厘米粗的绳子 足以让一架准备着陆的战斗机完全停下来 黑寡妇 7 2020 3 28 2 1超疏水仿生界面材料 8 超疏水基本模型及理论 液滴在固体表面的润湿现象一般被认为与两个因素有关 表面化学成分和微观几何形貌 但是后者的影响更为显著 甚至可以实现由亲水性表面向超疏水转变 因此 人们致力于研究表面的微观几何结构对润湿性的影响 提出了几种比较经典的润湿理论模型 如Young s模型 b Wenzel模型 c Cassie模型等 9 1997年德国植物学家Barthlott发现荷叶表面的自清洁效应和超疏水现象 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于150 且滚动角小于10 的表面 这种表面在工农业生产及日常生活中有着广泛的应用 例如 集水功能 微流体装置 抗结冰等 研究发现 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超疏水性起着至关重要的作用 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备 一种是在粗糙表面修饰低表面能物质 另一种是在疏水材料 一般其接触角大于90 表面构筑粗糙结构 目前 已经报道了许多比较成熟的制备技术 如电化学沉积法 等离子体和激光刻蚀法 交替沉积法 电纺丝法 模板法 溶胶 凝胶法等 10 中科院化学所的徐坚等发明了制造 仿生荷叶 技术 他们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 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 可以在生产建筑涂料 服装面料 厨具面板等需要耐脏的产品上得到广泛应用 11 荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突 平均直径为5 9um 单个乳突又是由平均直径约为124 3nm的纳米结构分支组成 乳突之间的表面同样存在纳米结构 12 沙漠甲壳虫背部 蚊子复眼 蝴蝶翅膀 水黾腿 壁虎脚掌 疏水结构表面SEM图像 13 荷叶上表面的微纳复合结构与表面植物蜡的协同作用赋予了荷叶 出淤泥而不染 的超疏水自清洁特性 这一点已经广为人知 但是荷叶下表面的性质却被人忽视 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润性进行了深入的研究 如左图 a 所示 水滴在荷叶的上表面呈圆形 在水中 油滴 染色的正己烷 也以球形停留在在荷叶的下表面 表明荷叶的上下表面分别具有超疏水和超疏油的特性 通过环境扫描电镜 ESEM 和原子力显微镜 AFM 对荷叶下表面进行形貌表征 发现下表面由无数个扁形乳突组成 每个乳突的长度为30 50 m 宽为10 30 m 高为4 m 且上面覆盖着长度为200 500nm的纳米突起 另外 荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类水凝胶化合物 正是荷叶下表面的这种特殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定水下超疏油表面 这一发现也从侧面反映了荷叶下表面是抗生物粘附的性质 2 2超疏油仿生界面材料 14 水下超疏油仿生界面材料的构筑 在仿生研究领域中 模板复形法是一种简单 有效 快速的技术 能够通过复制生物界面的表面结构获得具有特殊功能性的界面材料 环氧树脂 聚二甲基硅氧烷 PDMS 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 氧化铝 聚电解质 光聚合物都可以用做模板材料 Cheng等以PDMS和环氧树脂为材料 用模板法对荷叶上下表面复形 最后用氧等离子体将荷叶上下复形表面结合 制备了一种新颖的不对称界面材料 能悬浮在水面上 上表面表现出超疏水的性质 空气中水的接触角为156 0 1 0 下表面为超疏油表面 水下油 染红的正己烷 的接触角为153 5 1 5 与天然的荷叶下表面相比 以环氧树脂为材料制备的人造超疏油界面在水下有着更好的机械强度 能够对抗复杂的化学物质 15 Huang等合成了一系列不同结构的乳胶粒子 包括球形粒子 菜花状粒子和单孔粒子 通过不同几何形状乳胶胶体粒子的组装 获得了一系列水下疏油和超疏油的界面材料 这些不同结构的乳胶粒子组装后形成的界面对水下油滴的固液浸润模式和接触方式不同 进而可以有效控制界面在水下对油滴的粘附 16 2 3仿壁虎脚粘附材料 自然界一类生物 如壁虎 蜘蛛 蚱蜢 蚂蚁 苍蝇等 不但能在垂直的墙壁上停留和爬行 而且能在天花板上运动自如 这种超强粘附爬行的能力引起了人们广泛的研究兴趣 其中壁虎由于体重较大成为仿生粘附研究的主要对象 早在公元前4世纪亚里士多德就观察到 壁虎甚至能够头部向下也可以在树上自由地上下爬行 BAE公司的新研制的人造壁虎材料吸附作用显著 1mm2便能吊起一辆家用汽车 研究小组介绍说 我们先研制出了少量材料 并且证实它的确能有效黏附于光滑玻璃表面上 同时 它还可以多次使用 尽管现在还没有研制成功真正的 蜘蛛侠 服 但就理论而言 应该不成问题 17 电镜显示 壁虎脚上有密集的刚毛 1mm2上约有5000根长度为30 130 m的刚毛 每只脚上就有近50万根刚毛 并且每根刚毛又有400 1000根直径为0 2 0 5 m的细分叉 因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点 总的范德华力相当大 足以支持壁虎的全身重量 18 Qu等利用化学气相沉积法 在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列 并研究了其粘附性能 碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成 分别用来仿生壁虎脚部刚毛和铲状绒毛 当碳纳米管阵列与基底接触时 弯曲部分与基底表面的线接触有效地增大了接触面积 并且在切向力的作用下 取向基本一致 d 和 e 类似于壁虎铲状绒毛与基底的接触 为了测量该结构粘附力 取4mm 4mm大小的碳纳米管集簇与玻璃基底接触 a 碳纳米管的直径约为10 15nm 长度约为150 m 密度约为1010 1011cm 2 该样品能牢牢吊起一本重为1 480kg的书 切向粘附力约为90 7N cm 2 达到壁虎粘附力的10倍 而法向粘附力随着碳纳米管的长度的变化由10N仅增大到20N且远小于切向粘附 并且总粘附力随着拉脱角的变化而变化 19 美国麻省理工学院Mahdavi等受壁虎粘附的启发 利用生物相容和生物可降解材料制备了一种仿生医用绷带 如图5所示 实验表明这种绷带即使在动物新鲜肠壁上的粘附力也能达到4 8N cm 2 为了进一步验证绷带粘附性能的可靠性 将绷带黏贴于活的小白鼠腹部 其粘附力仍能达到0 8N cm 2 研究者们希望这种医用绷带将来能够在伤口急救和外科手术中作为一种特殊的缝合线使用 使用非常方便 可大大减少救治的步骤 但目前该研究尚处在实验室阶段 要想在医学上广泛应用还需要克服很多难题 因为它的粘附力还达不到临床上使用的要求 这有待进一步研究 20 21 仿生学前景展望 仿生学是一门多学科的交叉学科 它融合了生命科学 信息科学 脑与认知科学 工程技术 数学与力学以及系统科学等七大学科 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 从材料学的角度认识 天然生物材料的结构和性能 进而抽象出更多的材料模型 这方面的工作还有待进一步的深入 而仿生材料的设计制备方法则是摆在面前的一个关键性的课题 自然界中生物的结构是通过分子的自组装形成的集合体 利用大自然的启示 通过分子自组装行为构建复合材料的仿生结构 将为复台材料的仿生设计和仿生制备提供广阔的前景 仿生学将给材料的设计和制备带来革命性的进步 具有里程碑式的重要意义 将极大地改变人类社会的面貌 22 参考文献 1 李瑶 仿生材料的研究进展 J 黑龙江科学 2012 3 1 32 34 2 张文毓 新型仿生材料的研究进展 J 船舶物资与市场 2010 6 21 24 3 房岩 仿生材料学研究进展 J 农业机械学报 2006 37 11 163 167 4 梁伟欣 仿生