功能材料课程论文

功能材料课程论文功能材料课程论文 1 5仿生材料的最新动态摘摘要材料科学和生物技术的交叉领域的研 究越来越受到重视 而其中的三大研究分枝天然生物材料 生物医用 材料 仿生材料倍受人们注目 而仿生学是一门交叉学科 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 是探讨生 物体材料结构与形成过程 并借鉴生物材料的结构及其特殊构效关 系来启迪人工材料的设计与制作的新兴综合型学科 本文综述了仿生材料学的概念及研究意义 以及仿生材料学的研究 热点 研究进展和发展趋势 关键词仿生学 仿生材料 发展趋势 生物结构 结构功能The latestdevelopments of biomimetic materialsBiomimetic materials is basedon thebiological properties of akind ofnew materials aording tobiological in the chemicalpropertiesof the soundand lightelectromagic physicsor anticorrosiveantifouling andresearch materials the mainuse ofmilitary aerospace life at presentthe developmentofbiomimeticmaterialsisstill inprimary stage all aspectsof theuse andneed toput withthe studyofthemulti 引言仿生学是人们研究生物体结构与功能的工作 原理 并根据这些原理发明出新的设备和工具 创造出适用于生产 学习 生活的先进技术而发展的一门学科 仿生学的典范成就并非仅仅对自然的模仿 而是努力探索自然系统 背后的原理与机制 然后对其加以具体应用的结果 最简单且著名的仿生成果是在超音速飞机的机翼上安装 翅痣 这是从蜻蜓那里借鉴来的 因此 飞机克服了音障 从而制造出了 两倍乃至三倍音速的超音速飞机 仿生学的研究运用有众多的领域 如生化仿生 医学仿生 电磁仿 生 军事仿生 工程仿生等 仿生学也包括仿人 如电脑 机器人的发明等 课文中讲的生物多跟动物有关 其实 人类也在向植物学习 如传 说鲁班从一种边缘有小齿的叶子上受到启发 发明了锯子等 生物经过长时间的动力学自组装过程 各个组分之间按照最佳的结 构和组合方式组装 最终形成特有的复合结构 来适应复杂多变的 环境要求 某种意义上来说自组装产物的缺陷程度最低 结构和功能达到了理 想状态 科学家已经从纳米层面系统的分析与研究生物体外形 结构 力学 功能 可以作为工程设计的依据 为仿生设计出高性能材料提供理 论支撑 自从20世纪末开始 国内外投入很大的人力物力从事仿生工作 并 且取得了许多重要成果如仿生自然叶片蒸腾作用的热效应 仿生离子通道 仿生分子及细胞传感器 仿生耦合聚 晶金刚石钻头 仿生动物消化系统的反应器 等 如今 已经有许多仿生结构材料应用于医学修复 传感器及量子器 件等多个领域 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标 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 7 仿生材料学是仿生学的一个重2 5要分支 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 的一门新兴科学 是化学 材料学 生物学 物理学等学科的交叉 生物材料 料是一个跨学科研究的领域 从力学的角度来说 是要搞 明白生物材料的力学特性和其他物理特性是如何由生物体内的结构 和组织控制的 以及自然材料 如骨骼 木材等 在各个领域的应用 仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟 获得高效 低能耗 环境和谐与快速智能应变的新材料及其新性 质 制备类似于生物的结构或者形态 得到具有特殊性能的人造材 料 如人工类珐琅质 高强韧陶瓷 仿生人工骨材料 仿蜘蛛人造 纤维 仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应 发展具有与 生物相似或者超越生物现有功能的人工材料 如仿荷叶自清洁材料 仿鲨鱼的自润滑材料 在基因改造的细胞中高效合成手性分子和 大分子等 8 自然材料的诸多优越特性吸引着广大科学研究人员 使他们从更微 观的层次师法自然 利用从生物体那里获得的启示为人类的文明进 步服务 同时设法揭开自然界有机体性能形成的秘密 本文介绍了近年来仿生材料学的几个重要的发展方向和研究进展情 况 并探讨了仿生材料学的发展趋势 为仿生材料学的研发提供一点启示 1 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2 仿生材料用化学方法模拟自然界中 生物体功能的一门学科 如模拟酶反应 模拟生物膜的功能等 仿生光化学 光能的仿生利用和仿生发光 仿生农药 绿色农药 仿生材料 仿生传感器等 其中仿生农药 仿生材料和仿生传感器和我们生活联系密切 仿生农药 绿色农药许多天然植物如苦楝 臭椿等在长期的进化中形成了完善 的自我保护机制 产生能够杀灭病虫害而不危害人畜和有益生物 环境 生态的化学物质 有些植物还能够通过叶 皮 根等分泌释放某些化学物质 会对周 围其他植物的生长产生抑制促进作用 譬如洋槐树皮挥发一种物质 能杀死根株周围的杂草 使其附近寸草不生 将植物中的这些成分进行提取分离 进而通过人工合成制成仿生农 药 就是名副其实的绿色农药 利用昆虫的性外激素合成的性引诱剂是仿生农药的另一个方面 利用昆虫的觅偶 标迹 聚集等活动的信息传递是通过分泌 释放 微量化学物质即 化学信使 来实现的 这种 化学信使 就是昆 虫的性外激素 近年来 我国合成了大量昆虫性外激素 利用昆虫性引诱剂来诱杀 害虫和进行虫情测报 使害虫自投罗网 科学家还发展了许多控制昆虫生长发育的药剂 即昆虫生长调节剂 比如利用蜕皮素或类似物使昆虫过早或过迟蜕皮而死3 5亡 或利 用保幼素使幼虫不能发育成为成虫 这也是灭杀害虫的一个手段 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xx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 仿生材料设计陶瓷材料的脆性和增韧 9 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 10 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 4 仿生制备仿生制备是近年来新的研究课题 最早的尝试是材料的成分仿生 天然硬组织很少由纯的无机矿物构建 几乎所有优异的生物矿化材料 都采取了有机分子调控无机相生长的策略 因此 生物材料专家开始考虑如何将性能完全不同的有机相与无机相 结合起来 制备具有优异力学性能 甚至具有天然材料分级结构 仿生制备不仅仅是一个材料学问题 4 5它的发展最终成为一个涉及 分子生物学 细胞学 疾病医学和组织工程材料学 化学 生物力 学的新的交叉学科 有两篇文献讨论了 11 骨的细胞 分子生物学和组织工程构建问题 以及如何进行骨骼疾病的治疗 材料科学 生命科学 以及医学 化学 物理和其他工程学科的专家 共同合作 协同攻关的现象已经越来越普遍 5应用5 1医学中的价值在现代医学中 很多人造骨的出现 解决了 医学上的困惑 卵是鸟类和爬虫类生育在体外的动物的最大细胞 它的壳 是石灰质构成的 内部有卵白和卵黄 美国学者Finks对此发表了非常有趣的假说 认为卵的结构无论从力 学或者工学的观点来思考 都有许多值得学习的地方 人类现在的包 装技术与之相比相形见绌 卵壳的形成过程与牙齿和骨头的发育过程相同 被称之为钙化过程 与无机和有机的界面化学相关 据有关报道 人们正在研究一种人造 骨 相信在不远的将来 通过对有机和无机复合材料形成技术的研究 不 仅在包装技术方面人们会学习和采用生物卵壳的形成方式 同时在医 学科学中也会开创新的领域 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 5 2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一5 3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 除了上述举出的案例 仿生学在生活中的运用还有很多 鲨鱼游泳 衣 能量重组 人造纤维等 在以后新的科技发展时代 仿生学在生活中的应用还会有更多的地 方 6 结束语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5 5等 参考文献 1 邢丽 张复实 向军辉 等 自组装技术及其研究进展 J 世界科技研究与发展 xx 29 3 39 44 2 YUAN Zhi YE Hong LI Shimin Bionic leafsimulating thethermal effectof naturalleaf truspiration J J BionicEng xx 11 1 90 97 3 XIA Fan GUO Wei MAO Youdong et al Gating ofsingle synthetianopores byproton driven DNAmolecularmotors J J AmChem Soc xx 130 26 8345 835 4 杜立萍 基于嗅觉受体的仿生分子及细胞传感器的研究 D 杭州浙江大学 xx 5 高科 李梦 董博等 仿生耦合聚晶金 刚石复合片钻头 J 石油勘探与开发 xx 41 4 485 489 6 ZHANG Meixia ZH