仿生材料（2020年10月整理）.pdf

源于自然的力量——仿生材料 一、神奇的大自然——仿生学 自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有 最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合 能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而 具有许多独有的特点和最佳的综合性能。 例如，荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从 荷叶上滚落，同时将灰尘带走；海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它 们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有 序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能，使得黑夜观看成为可能；水黾 腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎 由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊 的粘附力…… 道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材 料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳 米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。 仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上 由Steele等提出。仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用， 为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原 理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料；材料仿生设计包括材料结构仿生、 功能仿生和系统仿生 3个方面。 二、了解仿生材料 仿生材料的定义 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生 命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。 仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它是 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学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地 球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等 基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅 要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结 合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、 最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力，在比强度、 比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。 仿生材料的研究 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 1 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是表征天 然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理。 仿生材料的研究包括3个阶段： 1)对天然生物材料结构和功能的认识和感知； 2)对天然生物材料性能的研究； 3)仿生设计新型材料。 第一阶段主要是从大自然中探求具有优异独特功能的天然生物材料作为研 究对象，从中寻求仿生材料的设计方法和灵感；第二阶段则是探究天然生物材料 结构与功能形态之间的关系，并结合实验表征手段测定其性能参数，总结规律， 揭示其构成机理和运行机制；第三阶段将深入到仿生学高度，建立仿生材料创新 技术，实现其仿生设计方法和理念，由此研制新型仿生材料，为人类所用。 三、仿生材料的研究热点 仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材 料、竹纤维仿生材料、植物根部的网状结构和纳米仿生材料等。它们具有各自特 殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、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。 贝壳仿生材料 贝壳结构中的珍珠层属天然复合材料,其中95%( 体积分数) 是片状文石,其 余5%是蛋白质—多糖基体。这些文石片交错排列成层,文石间填充着有机基体。 单个文石晶片是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶和非晶区。珍珠层