仿生结构及其功能材料.doc

仿生结构及其功能材料 【摘 要】种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度，实现了结构与功能的统一。近年来，仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注。本文介绍了光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧复合材料及仿骨材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状，并概要展望了其发展趋势。 【关键词】仿生合成，结构材料，功能材料 1. 引言 自然界中的动植物经过45亿年物竞天择的优化，其结构与功能已达到近乎完美的程度[1]。在，我们的祖先见飞蓬转而知为车，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车草叶的齿形边缘；根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；通过对萤火虫和海蝇发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。仿生学是在生物学技术学[2~7]。 仿生合成（biomimetic synthesis）一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成，即受自然界生物的启示，模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程并应用到材料设计，以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料，或利用天然生物合成的方法获得所需材料[8]。 2. 仿生材料 材料是人类赖以生存和发展的重要基础，是直接推动社会发展的动力，材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。材料按其应用一般可以分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。功能材料则主要利用其光、电、磁、声、热等特殊的物理、化学、生物学性能。 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料[9]，其正向着复合化、智能化、能动化和环境化的趋势发展，给材料的制备及应用带来革命性进步。 目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为以下两种：(1)通过制备与生物结构或形态相似的材料以替代天然材料，如光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿生物体骨骼等；(2)直接模仿生物的独特功能以获取人们所需要的新材料，如仿蜘蛛丝超韧纤维、仿荷叶超疏水材料、仿贝壳高强材料、仿壁虎脚高黏附性材料等。下面就近年来仿生结构及其功能材料方面的研究进展做进一步的叙述。 2.1 光子晶体材料 自然界中的某些矿物或生物经过进化形成了非常绚丽的结构色。例如，蝴蝶(图1(a)，(b))、鸟类(图1(c)，(d))，蛾子等许多有着非常绚丽的色彩，研究发现，这些色彩不一定是色素产生的，很大一部分与生物体的微观结构有关。自然赋予了生物不自觉运用光学原理的能力，它们通过最基本的光学原理对可见光作用，形成了多姿多彩的世界。电镜观察发现，这些美丽色彩的源头就在其表面的有机或无机介质的有序排列。它们的排列使得某一波段的光在其间发生干涉、衍射或散射等，过滤出特定波长的光，从而显示出美丽的色彩[10]。这其中最著名的是光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩(图1(e)，(f))。 Parker等人[11]首次在甲虫(Pachyrhynchus argus)身上发现与蛋白石一样的光子晶体结构类似物，使其具有在任何方向都可见的金属光泽。模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体，如用粒径均匀的二氧化硅小球胶体溶液经由Edwardswilkinson模型生长，得到了类蛋白石结构，均匀的二氧化硅小球层状排列，形成了明显的光子晶体(图2(a)) [12]。以SiO2、聚苯乙烯等人工蛋白石为模板，通过煅烧、溶剂溶解等方法除去初始模板，可以得到排列规整的反蛋白石结构材料(图2(b)) [13]。 顾忠泽等人[14]将聚苯乙烯微球与SiO2纳米粒子超声分散，然后用玻璃片在其悬浮液中提拉成膜，空气中晾干后于450℃下煅烧除去聚合物，经氟硅烷修饰后可得到具有构造显色功能和超疏水特性的反蛋白石结构膜。最近，李垚研究组[15]在离子液体中，以聚苯乙烯胶体粒子为模板，采用电沉积技术制备了高度有序反蛋白石结构锗三维光子晶体，离子液体中的电沉积技术有望用来制备其他活泼金属(铝、硒、钽等)或导电聚合物光子晶体。在磁性光子晶体材料的制备方面，2006年，Lin-den等人首次制备了一维磁性光子晶体，实现了纳米尺度下的光操控。这种新型的光子晶体材料由金线对(长100μm、宽220 nm、高20 nm)构成。金线对之间以50 nm厚的氟化镁隔开，形成周期性排列的一维人造原子晶格，然后置放在用来导光的石英基板上，