仿生学研究的前景

仿生学研究的前景,土木工程学院测绘(1)班任甲营11340115,设计更绿的未来,Agreenerfuture,绿是指无污染源或虽有小污染源、但能自我净化处理的建筑或其他产品。它对周围自然环境无污染或污染程度极小,且具有适应周围自然环境的性能,并对周围自然环境的净化、恢复具有一定的补偿作用。,Biomimicry现在已经成为了进来该领域学术会议的热门话题。它作为一种新的方法论的学科，给设计、科学、工业等领域，企业甚至个人带来了全新的思维和设计方式，就是借鉴自然界的智慧和设计法则。Biomimicry来之于德语bios，意为“life（生命）”，和mimesis，意为“imitate（模仿）”。Biomimicry是一种基于可持续发展理念的的设计原理，通过学习和模仿经受了悠久时间考验的具有优异特性的自然界来解决人类遇到的各种问题。Biomimicry的核心理念是在优胜劣汰的残酷环境中生存下来具有卓越能力的大自然，它们已经解决了无数设计师绞尽脑汁仍无法解答的各种问题。运用这些自然法则可以非常有效地帮助设计师解决产品设计、生产流程和产品策略中的各种问题，从长远看，也是为了更好地适应我们人类赖以生存的地球。,简.班那斯,1.自组装Self-assembly,仿生体系的分子组装是化学、物理学、生物学和材料学等交叉领域的一个研究热点，以模拟自然现象或生物体结构和功能为基础，用分子自组装的手段构建仿生或生物启发的纳米结构化材料是其主要研究方向之一。目前许多研究人员正利用超分子自组装方法，构筑具有特定物理、化学性质和生物学功能组装体，并探索其在新型功能材料、超分子药物载体、生物界面和组织工程方面的应用。同时，生物启发的材料和体系、自适应性材料、纳米材料、层次结构材料、三维复合材料和绿色材料等将成为未来先进技术发展所关注的焦点。分子仿生的理念和思路是近年来国际科技界普遍关注的一个前沿热点，也必将在探索生物世界的奥秘、新材料合成和新型功能器件的研制等方面发挥重要作用。作为高分子领域一项新兴的技术，自组装技术发展的时间并不长。由于其研究成果还有待成熟，对于绝大多数人来说，还难以感觉到这项技术的出现将对科技进步和经济发展所产生的巨大推动。,硅元素(Si)在地壳中的丰度为28%,是仅次于氧元素丰度第二高的元素,同时也广泛分布在生物圈中,在所有生物中都能找到硅的存在,其中一些生物能够用来构成稳定的结构(如骨骼,主要是以二氧化硅形式)。据估计,二氧化硅是仅次于碳酸盐的第二大量生物矿物。这种生物矿化二氧化硅主要存在于各种单细胞藻类(60000100000种硅藻)、细菌、海绵(约6000种)、原生动物如稀孔虫目(Phaeodaria)、领鞭毛虫(Choanoflagellates)、硅鞭毛虫(Silicoflagellates)和高等植物体内。生物体通过生物矿化过程合成二氧化硅的过程被成为生物硅化作用(Biosilicification)。其中海绵与硅藻是海洋中主要的生物硅化者。其中超过90%的海绵能够通过生物硅化作用构建起硅质骨骼。,生物硅化材料,海绵（MarineSponge）是地球上最古老、最简单的多细胞水生动物，也是一种营固着生活的动物，常附着在岩石、贝壳、木质结构、介壳或其它水生植物上。寒武纪是海绵最繁盛的时代,经数亿年的演化.通常认为现今的海绵主要有：寻常海绵（Demospongiae）、六射海绵（Hexactinellida）和钙质海绵（Calcarea）三个纲。海绵大部分能够利用二氧化硅在常温水环境下合成形状、大小和结构极为丰富的硅质骨骼。,“维纳斯花篮”（VenusFlowerBasket）,海绵的结构早为人们所熟知，称作“偕老同穴”（Euplectellaaspergillum）的六射海绵，其建造精美绝伦，被誉称“维纳斯花篮”（VenusFlowerBasket）。,“维纳斯花篮”（VenusFlowerBasket）,“维纳斯花篮”（VenusFlowerBasket）,传统纳米至介孔尺度无机材料的制备需要高温固态反应(如大于1000C)或在强酸碱和较低温度(100C200C)条件下完成湿法化学反应。而生物硅化过程具有浓度低(一般海水原硅酸浓度低于2mol/L、常温(0C30C)、近中性pH(天然海水pH值78)、产物形态可控(其产物为海绵硅质骨针,具有种属特异性,是海绵种属鉴定的重要指标)等特点。在海绵生物硅化过程中,一类被称为硅蛋白(Silicatein)的蛋白质表现出了特殊的催化活性,也因此得到了生物学家、化学家和材料学家的关注。,生物硅化过程,早在1994年Gaino等就发现，硅质骨针束能收集微弱的光沿其硅质管传输给与海绵共生的海藻，供其进行光合作用。Cattaneo-Vietti等进一步指出了取自南极的一种长的海绵骨针具有光纤作用。21世纪初，美国贝尔实验室则更系统地研究了六放海绵纲拂子偕科偕老同穴属一种Euplectellaaspergillum的骨针的光学性能及其结构之间的关系。发现其光导性能非常类似于商业光纤的性能，可有效的连接光纤网络。随着近年来人们发现其骨骼的基本组成单位骨针具有优异的光导性能和机械性能,海绵生物硅化过程及仿生纳米和微米硅质生物材料合成的研究成为生物技术和材料科学的热点。,骨针具有优异的光学性能和机械性能,海绵骨针的光传输实验图Theexperimenttotransmitlightthroughspongespicule,美国贝尔实验室的Aizenberg博士等利用扫描电子显微镜（SEM）系统研究了海绵Euplectella的整个骨架结构，发现了骨针复杂的内部结构：其基本构件是一根根的针状体，而这些针状体是由一层层同心圆状的硅薄层及有机质芯（中心丝）构成（图2）。进一步研究表明，海绵的整个骨架是由硅纳米颗粒围绕中心丝通过分级（七级）机制自组装而成。这种分级机制形成的海绵骨架克服了玻璃物质（SiO2）的脆性，具有较大的硬度和较好的稳定性。另外，贝尔实验室的科学家还检验了骨针的柔韧性，称它耐弯，甚至打结也不会断裂。,骨针具有优异的光学性能和机械性能,跟树木学习木材自助装的方法Woodself-assembles:trees,由此，我们可以想到,科学家总有一天会通过研究木材细胞壁的形成原理制造出完全不用木头的人造木材，这一点绝对可以实现。现在的研究证明木材的细胞壁不是通过生物化学的方式形成的，而是根据材质特征自发的，运用自助装的方式形成的。科学家现在正在仔细地研究这个过程，以期望有一天可以从其他植物身上提取相应的分子来合成人造木材。,NokiaMorph（变形）,2008年诺基亚也利用biomimicry技术提高其设计和技术。TapaniRyhaenen提出了移动电话的新概念。这款被命名为“Morph”(变形)的概念手机可作键盘使用，还可以弯曲起来戴在手腕上。诺基亚首次提出这种手机概念是在5年前，剑桥大学诺基亚研究中心的研究人员长期设计研究这款手机的原型。,神奇的Morph的拨号形态,诺基亚研究中心主管塔帕尼赖哈恩(TapaniRyhanen)博士说，“我们希望艺术与科技结合的这款手机向广泛的手机用户展示纳米技术的发展潜力。我们完成的这项研究基本上实现了安全和控制方法开发使用新材料。”由于采用纳米纤维蛋白材料，Morph表现得柔软而且透明，甚至还具有自我清洁的功能。这款概念手机无疑是科学性与艺术灵感的一次完美结合。诺基亚表示这种纳米技术手机将在2015年成为手机主流，但目前仍有技术挑战需要克服，首先是这种手机的供电，诺基亚现正在研究新的电池材料。,诺基亚Morph的音乐播放形态,自我清洁纳米技术也能够创造移动终端自我清洁的表面，并最终减少终端表面的侵蚀，使终端使用寿命更长。纳米结构的表面，如“纳米花瓣”可自然地阻挡水、污垢、甚至手印等在自然系统下可见的物质。先进的能源纳米技术使终端表面通过获得太阳能的“纳米草”结构成为一个自然的能量来源。同时，新型高能量密度存储材料使电池变得更小更薄，也更快地充电，并且拥有更长的充电周期。对环境的感知纳米传感器使用户能够以全新的方式检查周围环境，从分析空气污染，到对生物化学追踪和流程的洞察。新性能可以复杂如帮助我们监控不断变化的环境质量状态，或简单如知道我们将要享用的水果应该是在食用前清洗过的。我们在这些方式下调整我们的环境的能力，能够帮助我们做出关键的决定，以指导我们每日工作，并最终促进我们的健康。,Morph显示了未来的移动终端会有怎样的延展性和灵活性，使用户可以将他们的移动终端转变成不同的外形。它展示了纳米技术可以提供的功能：灵活的材料选择，透明的电子器件和可自我清洁的表面。Morph概念技术可以为移动终端创造无限可能的机会：新的弹性且透明的材料与我们的生活方式更无缝地结合成为自我清洁和自我保护的透明的电子零件提供了一个全新的美学空间内置的吸收太阳能能量为终端充电，同时电池变得更小，续航时间更长久、更快充电一体化的传感器能够使我们了解更多周围环境，使我们能够做出更好的选择。,2.二氧化碳作为原料,让二氧化碳成为化工原料随着气候变化，温室气体减排成为各界的焦点，联合国环境规划署已将6月5日“2008年世界环境日”的主题确定为“转变传统观念，推行低碳经济”。与此同时，在化石原料价格不断挑战极限的巨大压力下，化学工业也开始探索低碳经济模式，除了加紧开发新技术实现二氧化碳减排和封存外，每年都有大量的二氧化碳被用作化工原料，一些领先的化工公司，如巴斯夫和帝斯曼都在加快进入这一领域。,向人类的肺学习如何消减碳LearningfromHumanLungsHowtoSequesterCarbon,清洁碳是现阶段最有挑战性的绿色能源技术。这种挑战性使无人敢确定是否能成功。一家美国新泽西州的公司，Carbozyme，不但想挑战这个领域，并且从人类的肺中找到了答案。,人类肺的工作原理对新技术的研发具有很大的启示性。人类肺部具有3个突出的适应性使它能够有效地除去CO2：超薄的隔膜（多薄？大概是这句话长度的千分之一）；巨大的表面积（多大？假如把肺部的气体交换表面拉平，约等于人体总表面积的70倍，相当于一个排球场大小）以及一类特殊的碳酸酐酶化学置换物，它们使CO2从我们的血液中以1000倍速度被置换出来。Carbozyme公司参照同样的原理开发过滤膜，成功清除了滞留在烟道里90%的CO2,该公司还在研究其它基于模仿软体动物体内碳酸酐酶成功把CO2转化为石灰石的技术，它们可以存储起来作为建筑原料。它提供的所有产品和服务都和“碳捕获”有关，既适用于小型工业企业，也适用于大型企业（比如：发电厂）等等。,3.太阳能转换Solartransformations,欧洲人一直致力于开发纳米科技，希望该技术能使各国在下世纪摆脱化石燃料。他们特别对于建立全球性太阳能电网有相当大的兴趣，因为阳光始终照耀着地球。在最近召开的欧洲科学基金会大会上，对于可持续能源中的纳米科技的基调相当清晰，即欧洲准备加速发展纳米科技。会议的重点是太阳能，而不是风能等其他可持续能源，这不仅因为太