浅谈仿生材料

浅谈,五组李玉发张书铭杨羽西,有趣的仿生材料,仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。,模拟海参的生物医学塑料,大脑植入电极有助于治疗神经类疾病，但是常用的质地较硬塑料将大大削减治疗的有效性。2008年，凯斯西储学院的科学家发现海参的皮肤是一种有效解决方案。,研究负责人克里斯托夫-韦德从聚合物基质中的精细纤维素纤维中研制一种新材料，该材料就像海参一样可以在僵硬与松软状态之间转换。如果没有水，这种适应性较强的医学材料将变得僵硬，当添加水就会变得柔软。麦吉说：“这种材料可从柔软海绵状变得坚硬，它能使我们变得更加健康。”,化学方法固定二氧化碳,二氧化碳在许多人眼中是一种应致力减排的温室气体，但对于植物则不然，二氧化碳是植物生长不可或缺的能量之源。美国一家绿色塑料制造公司同样把二氧化碳视为一种能源，他们利用一种催化剂，把乙醇生产过程中产生的二氧化碳与一种石化材料相结合，生产出了塑料。,作为化学方法固定二氧化碳的方向之一，二氧化碳制塑料对我国实现碳捕集、封存与利用具有重要意义。一方面，二氧化碳制塑料可以在很多领域替代传统塑料，从而减少了生产传统塑料过程中的碳排放；另一方面，生产一吨树脂消耗0.4-0.5吨左右的二氧化碳，也体现了二氧化碳资源化利用的经济价值。二氧化碳制塑料与强化采油（CO2-EOR）类似，在减少CO2排放的同时，可为企业带来收益。,中海油投资1.522亿元人民币建设的3000吨/年二氧化碳可降解塑料项目也于2008年三季度建成投产，该项目采用中科院长春应化所技术，已成功将二氧化碳可降解塑料吹膜并制作成环保塑料袋。,江苏中科金龙化工股份公司早于2007年就形成了2.2万吨/年的二氧化碳树脂生产能力（一条2000吨/年和一条20000吨/年的生产线），该项目采用中科院广州化学所技术。中科金龙已经开发了二氧化碳树脂在涂料、保温材料、薄膜等多个领域的应用。中科金龙公司计划在2015年前实现10万吨/年的二氧化碳树脂产能。,蘑菇能做什么？,利用真菌制作的材料,在世界上生产的纤维材料中，有一种网状菌丝体，它由纤维缠绕，显得毫无织物纹路，更无法测定其性能，可它却成为当今世界发达国家最看好的可再生资源。而且当它废弃时，还可以成为复合材料工业中最为看好的再生资源，即废旧利用原材料。,美国纽约一家称为EcovativeDesign的纤维开发公司将这种菌丝缠绕材料设计为建筑用复合材料。由此，他们再也不用传统所用的高成本聚氨酯树脂，取而代之，他们认为，真菌细丝纤维网的作用更好。这种很细的菌丝活跃度很强，纤维丝生长长度可达8英里，可替代天然胶。其终端产品除了做包装材料外，还可以做绝缘材料、服装纤维材料等等。,引人瞩目的是，它具有很强的生物降解作用。而它的原材料却来源于农业副产品，如棉田秸秆、种子渣滓壳、植物茎杆和其他农业废料。真菌菌丝体具有十分稳定的性能，可防潮，可模塑，可低变应原，它还是最佳的天然阻燃材料。根据美国材料试验协会ASTM测试，真菌菌丝体符合相关的应用标准。,依据Ecovative实验室的反复测试，他们发现，菌丝体的生长需要各种农业副产品，如麦秆、稻草和其他庄稼秸秆。其中棉秸秆是菌丝体最佳生长介质，菌丝体遇到天鹅绒般的介质时，会快速生长。当然，这种材料也取决于秸秆加工的方法。为了使菌丝体迅速生长，他们采取了生物技术，使其快速生长。若能把菌丝体介质放入模内，使其自然长成人们所需的模子，那么菌丝体形状可直接成为包装用品而进入商业市场。,棉纤维无纺物要做成一种形状往往需要多次加工，而菌丝体成型则省去了这些工序。成型后的菌丝体仅需加热脱水既能停止菌丝体继续生长，而直接成为包装用材。从另一方面来说，如今建筑用材的特性大多硬脆，没有韧性，但是菌丝体却柔软无比，既可作坐垫，也可作鞋底材料，它柔韧灵活，经久耐用，弹性良好。由此，该公司开发的一种专用于运动鞋鞋底的材料，委托彪马公司生产。不仅如此，该公司还为汽车工业开发出坐垫、消音和隔热材料。,模拟病毒的“电池材料”,美国麻省理工学院在其网站上宣称，该校研究人员日前开发出了一种新技术，可通过一种名为“M13”的病毒将太阳能电池的光电转换效率提高近三成。相关论文发表自然纳米技术杂志上。,先前的研究已经发现，碳纳米管可以提高太阳能电池的转换效率。理想的情况下，碳纳米管会收集更多的电子，提高太阳能电池的表面积，从而产生更大的电流。但麻省理工学院的研究人员发现，该技术也存有一定的局限性。碳纳米管有两种，按功能可分为半导体类碳纳米管和导线类碳纳米管，两种纳米管不但在作用上不同，还容易发生聚集，从而严重影响转化效率。,研究人员经研究发现，M13病毒可以很好地解决这一问题。这种病毒长度为880纳米，结构简单易于操控，且对人体无害。M13病毒中的一种肽可使其附着在碳纳米管上，从而保证纳米管处于恰当的位置上，避免与其他碳纳米管发生黏连。每个病毒使用300个左右的蛋白质分子可以控制大约5到10个纳米管。实验显示，采用病毒结构的新型太阳能电池可将光电转化效率从普通太阳能电池的8%提高到10.6%，而新系统在重量上只增加了0.1%。,除可固定碳纳米管外，M13病毒还会产生出二氧化钛，而二氧化钛颗粒可有效提高电子的传输效率。这种物质同样也是“格雷策尔电池”中的主要组成部分。“格雷策尔电池”也被称为染料敏化太阳能电池，工作原理是通过模仿光合作用产生电能。其发明人瑞士洛桑联邦高等理工学院光子学和界面试验室主任迈克尔格雷策尔曾因该技术被授予芬兰2010年“千年技术奖”。此外，M13病毒还会让碳纳米管具有水溶性，使其在室温条件下可更方便地加入到太阳能电池板中，从而降低生产成本。,研究人员称，关于两种碳纳米管在太阳能电池中具有不同效用的发现也是此次研究的一项重要成果，此前还没有被实验证明过。半导体纳米管可以提高太阳能电池的性能，但导线类纳米管的作用却正好相反。该发现或有助于设计出更有效的纳米电池、压电材料或其他与电力相关的材料。,负责该项研究的麻省理工学院教授安吉拉贝尔彻说，该技术还可以用来设计其他病毒增强型太阳能电池，包括量子点和有机太阳能电池。在提高普通太阳能电池的转化效率上该技术也有很大的潜力，不过这有赖于生物技术的进一步发展。,创可贴遇水脱落怎么办？,贻贝与防水胶棒,贻贝也是利用闭壳肌和韧带开启和关闭贝壳的，但是贻贝闭壳未能象蚶子闭得那样紧，常常留有缝隙，缝隙就是足丝伸出的地方，因为贻贝是用由足分泌的足丝固着在海底岩石或其他物体上生活的。,足丝成分是一种蛋白质，很坚固而又有韧性，所以用足丝固着的力量很大，有时候人们要采它是很费力的，但是贻贝在用足丝固着以后，还可以牵制足丝，使身体在固着面上做小范围的活动。如果遇到环境变化，还能使足丝脱落，进行较大范围的活动，在新的适宜环境分泌新的足丝，重新固着。,设计灵感源自贻贝等海洋生物。美国加州大学圣塔芭芭拉分校有机化学教授赫伯特-韦特设计了一种新颖方法制造适用于潮湿表面的胶棒。,模拟鲨鱼皮的抗菌材料,对于海洋中的某些细菌、海藻和贝类而言，从身边经过的一艘艘轮船就是活动的礁石，船底、船身、管道都是它们栖身的绝佳场所。如果船舶船体上不使用防生物污损的防护涂料，往往不出两个月，船底就会被各种海洋附着生物覆盖得几乎看不出原样。,尤其是在热带、亚热带海域活动的船只，在海水温度高的地方，海洋生物的活性也高，没有防污技术，轮船在北方还能开一段时间，到了厦门、广州，个把月船体就被各种附着生物铺满了。不光是船舶，一些海洋采油平台、海水冷却管道都面临着同样的污损问题。海水冷却管道不防腐防污，很快就会成为细菌、海藻的天堂，没过多久就会被彻底堵塞。,四环素原本是用于治疗感染的抗生素，现在却被一些国家用于船舶防污涂料，以防止海藻、藤壶等生物附生在船体上。水中的细菌可能因而对抗生素产生耐药性，并且有可能会产生其他类型的新细菌。英国科技部长大卫威利茨称，激增的抗生素抗药性感染病患是当今对人类最大的威胁之一。,正是有了这些前车之鉴，与环境友好的防污涂料成为当下全世界科研人员探究的一个趋势和研究重点。在这方面已经有了很多大胆而新鲜的尝试。仿生涂料就是其中一种从其他生物身上获取灵感的解决策略。,珠落在荷叶表面会滚落，而不是附着，正是因为其自身特殊结构所具有的“低表面能”物理特性。同样，鲨鱼、海豚身上为什么不会附生一些细菌、藻类呢？它们独特的结构、所分泌的物质成为科学家们寻找答案的探索方向。游泳健将们用仿生鲨鱼皮战衣来减少阻力，提高成绩，其实，鲨鱼皮、海豚皮很可能在船舶涂料方面也发挥独特的作用。,水珠落在荷叶表面会滚落，而不是附着，正是因为其自身特殊结构所具有的“低表面能”物理特性。同样，鲨鱼、海豚身上为什么不会附生一些细菌、藻类呢？它们独特的结构、所分泌的物质成为科学家们寻找答案的探索方向。游泳健将们用仿生鲨鱼皮战衣来减少阻力，提高成绩，其实，鲨鱼皮、海豚皮很可能在船舶涂料方面也发挥独特的作用。,由美国佛罗里达大学的材料科学教授布伦南领导的一个研究小组探究鲨鱼防护海底生物附着的微观结构原理，研制