第五章 纳米仿生材料.pdf

纳米材料学 周惠敏周惠敏 1 内容纲要 5.1 仿生材料学 5.2 纳米仿纳米仿生材料材料 2 5.1 仿生材料学 5.1.1 仿生学材料学的提出 仿生学仿生学：：BionicsBionics 1960年9月J.Steele正式提出了仿生学的概念，即模仿生物系 统的原理来建造技术系统统的原理来建造技术系统，或使人造技术系统具有或类似于或使人造技术系统具有或类似于 生物系统表征的科学。 最早的仿生学侧重神经细胞最早的仿生学侧重神经细胞、感知器官的研究感知器官的研究；近近2020年来年来， 人们成功地把木、骨和韧带的力学性能及其结构应用到聚合 物和复合材料等方面物和复合材料等方面。。对仿生学的研究不再局限在细胞对仿生学的研究不再局限在细胞、、电电、、 磁等方面，已扩展为一个涉及面广的学科。 仿生材料学是仿生学在材料科学中的分仿生材料学是仿生学在材料科学中的分 支，是一个新型的交叉学科，包括材料 科学与工程、分子生物学、生物化学、 物理及其他学科。 3 5.1 仿生材料学 5.1.1 仿生学材料学的提出 仿生材料学仿生材料学：：BiomimeticBiomimetic MaterialsMaterials ScienceScience 仿生材料学：从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效 关系关系，从而研发出类似或优于原生物材料的从而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科门新兴学科， 是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。 原理原理—— 向生物学向生物学习，模仿或取得启示模仿或取得启示，仿造具有生物仿造具有生物 结构、特点和功能的新学科。仿生是方法 结构仿生——可降解的肽键，氢 键，自组装结构，分级结构，优 化的结构等） 功能仿生——催化，传输过程， 分子识别等） 4 5.1 仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容 从从BionicsBionics到到BiomimeticsBiomimetics，，研究的范围及影响已得到充分扩研究的范围及影响已得到充分扩 展。人们充分利用经过一万年进化所造就的种种优良结构形 式及生化过程，学习他们高效率地利用原材料及空间的精神 和能力等。 5 5.1 仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容 仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料。。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结 构仿生、模拟生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生 物体系统功能的物体系统功能的功能仿生功能仿生。 结构生物材料的物理和化学分析，以便更好地理解其结构的设计和性 能能； 直接模仿生物体进行的材料制备与开发； 利用生物加工技术制备材料的力学行为分析利用生物加工技术制备材料的力学行为分析；； 在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等新概念，进行新型 合成材料的设计； 仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面； 在生物的结构力学分析指导下，对现有结构设计进行优化； 生物材料