仿生材料研究与进展 王一安 刘志刚
齐齐哈尔大学
综合实践课程论文
题目仿生材料研究进展
学院材料科学与工程学院
专业班级无机非金属材料工程无机112班
学生姓名王一安刘志刚
指导教师李晓生
成绩
2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展
摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。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、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、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料
Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety.
Keywords:Bionics,Materialsscience,Review
1.前言
仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。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、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、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
2.仿生材料
我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就是仿生材料.
2.1表面仿生超疏水材料
自然界中的超疏水现象近年来，基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展，人们对于超疏水表面的研究就是受到荷叶“出淤泥而不染”这种现象的启发而不断发展起来的。固体表面的润湿性可以用表面和水的接触角来衡量，通常将接触角小于900的固体表面称为亲水表面，接触角大于900的表面称为疏水表面，而将接触角大于150。的表面称为超疏水表面llI。自然界中，水滴在荷叶表面上可以自由滚动，当水滴滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。因此，超疏水表面又被称为自清洁表面。20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott针对荷叶表面不沾水这一特殊现象进行了一系列的实验，发现了荷叶的疏水性与自我洁净的关系，创建了“荷叶效应”(Lotus effect)--i百-Jt21。此后，超疏水表面在世界范围内引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通13J：用于石油管道中，可以防止石油对管道壁粘附；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥：用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等等。
随着科学技术的发展，各种精密的检测手段不断涌现出来，人们发现荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构，正是这种微纳米相间的阶层结构和表面蜡状物质的共同作用才使荷叶的表面具有了超疏水的特性。荷叶表面上这种超疏水性的形成原理，为
人们构筑人工超疏水表面提供了指导作用。固体表面的润湿性是由固体表面的化学组成和微观几何结构所共同决定的。制备超疏水表面可以从两个方面入手：一方面是使材料表面具有微细的粗糙结构；另一方面是用低表面能物质修饰材料表面。仅通过在光滑表面上修饰低表面能物质，通常只能使接触角增加到1 190110。因此，构建合适的表面粗糙结构是制备超疏水表面的关键。目前，制备超疏水固体表面粗糙结构的方法很多，如机械加工法、物理或化学气相沉积法、电化学方法、溶胶一凝胶法、模板法、激光或等离子体刻蚀法等。然而，现有的这些方法还存在着各自不同的缺点和局限性，或是所用的原料特殊，或是操作过程难以控制，或是加工设备昂贵，或不能大面积生产等等。所以通过比较简便易行的方法来实现表面的超疏水性就成了当前制备超疏水表面技术中最重要的目标之一。
自然界中的生物体通过进化已经完成了智能操纵的所有过程。物竞天择，适者生存，生物体的诸多特性已经达到近乎完美的程度。向自然学习，寻找其中规律性的东西不失为科学研究的一条捷径。在自然界中，许多动植物的表面都具有超疏水的性质，如荷叶、水稻叶等表面的拒水自清洁性，蝉翼透明轻薄且具有超疏水的性质，水黾在水中快速滑行而不被润湿的特性等。人们通过研究这些天然的表面来分析它们具有这些特性的奥秘，进而也为我们利用这种表面性质形成的原理米指导实践、制备人_[超疏水表面提供丁依据和努力的方向。这也足仿生学在现实生活中晶直接的应用之一。植物叶表面的自清洁性质最具有代表性的是荷叶。德国生物学家Barlhlott Neihuis[21通过对近300种植物叶表面进行研究，认为这种自清洁的特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水的蜡状物质存在共同引起的。2002年报道丁一个新的发现”J，认为荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结构，这种微米与纳米相苻合的阶层结构足引起超疏水表面的根本原因，而且，水在这种疏水表面上其有较大的接触角及较小的滚动角，一种荷叶表面犬面积的环境扫描电子显微镜(ESEM)照片，从嘲中可以看出，荷叶表面由许多乳突构成，乳突的平均直径为5--99rn。水在该表面的接触角和滚动角分别为161 I吐2 70和2。单个乳突高倍放大的酷咖照片，每个乳突是由平均直径为124 3nm±3 2nm的纳米站构分支组成。另外．在荷时乳采之间的表面同样发现纳米结构，它可以肯效地阻止荷叶的卜一层被润湿。在这些微小的凹凸之间．储存着大量的空气。这样，当水滴落到茼上时，由于空气层、乳尖和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透，因而能自由滚动。
2.2金属基超疏水表面的研究现状
金属具有优良的机械性能，在国民经济生产中有广泛应用，但由于具有较高的表面自由能，显示为亲水性，在潮湿空气中腐蚀现象严重，并且不具备自清洁性能。因此也
限制了金属的进一步应用。将超疏水表面技术应用于金属材料，可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和表面氧化、降低摩擦系数以及增强抗霜冻性能的效果，因此，制备金属基超疏水表面材料，具有重要的学术意义和经济意义。目前金属基超疏水表面的制备方法主要有三种，位错刻蚀法、表面氧化法、直接成膜法和电化学沉积法。下面主要介绍下这四种方法。
根据固体物理学的理论，在实际晶体内部，总是大量存在着一种线型的缺陷——位错。当位错线与晶体表面相交时，交点附近的点阵因位错的存在而发生畸变，同时，位错线附近又有利于杂质原子的聚集。如果以适当的刻蚀剂浸蚀金属的表面，就有可能使晶体表面的位错露头处因为能量较高而优先溶解。位错刻蚀法正是基于这一概念发展起来的。目前这一方法主要应用于钢、铝及铝合金、铜这几类常用金属。常见的刻蚀剂有各种浓度的盐酸溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钠与氨水的混合溶液、各种磷化液、Beck 试剂、Livingston试剂等。
国内外利用位错刻蚀法制备金属基超疏水表面的研究小组主要有沈自求研究小组、Wang研究小组、Guo研究小组、Yolande Berta研究小组、陈庆民研究小组等。Shen掣52J采用化学刻蚀的方法在金属铝、铜以及锌的表面上构筑了粗糙的结构，进一步使用氟硅烷对表面进行修饰后，得到超疏水表面，水滴与表面的接触角达1500以上：Wang 研究小组采用Beck试剂对铝进行刻蚀，然后再用低表面能物质进行修饰，制得了疏水性能良好的表面。Guo纠“l将铝合金浸入到一定浓度的氢氧化钠水溶液中刻蚀一段时间后，再在表面上修饰低表面能材料，从而得到了与水滴接触角高达1610的稳定的超疏水表面。
采用适当的氧化剂即可将金属表面氧化，得到形状规则的氧化膜，多为类花状、棒状。形成氧化膜的机理因氧化剂和金属类型的不同而不同，而微观结构与氧化剂的类型、浓度、反应时间、温度等因素有关。目前这一方法主要应用于铜及铜合金、钛、锌等。根据各金属的不同性质，选择不同的氧化剂。钱柏太等采用含有过硫酸钾和氢氧化钾的水溶液处理金属铜表面，再经空气中加热后，在铜表面上得到了一层具有花朵状结构的CuO膜，接触角达约158。：wu纠采用双氧水处理金属钛，在表面产生Ti02多孑L膜和纳米棒阵列；Han等‘561用甲酰胺溶液处理金属锌，可在表面产生znO纳米管和纳米棒阵列。
直接成膜法是一种获得粗糙表面简单有效的方法，通常做法为将金属浸入适当的聚合物溶液或脂肪酸等有机溶液，金属表面经过一系列的自组装过程或是一系列的化学反应在表面形成一定规则结构的薄膜，最终获得超疏水表面。目前主要应用于铝和铜表面。Xiao掣首先将铝片进行羟基化粗糙处理作为基底，再将其浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中形成PEI涂层，然后将形成有PEI涂层的铝片浸泡在硬脂酸(STA)与N，N 7一二环己基碳二亚胺(DCCD)的混合溶液中，通过STA中的羧基与PEI中的氨基相互作用，使涂层上
吸附STA自组装单层膜，最后得到了接触角为166。的超疏水薄膜。Jiang等将铜片浸泡在适当浓度及适当链长的脂肪酸(如十四酸)溶液中，铜表面将形成一层微米一纳米复合结构的铜脂肪酸盐，与水的接触角达1620，滚动角小于20，具有良好的环境稳定性及耐溶剂性。
N．J．Shirtcliffe应用电沉积的方法，以0．127mm厚，纯度为99％的铜为样本进行微细加工，产生微米级的表面突起，经过氟化物修饰后，获得了接近160。的接触角，研究还表明，接触角滞后值在初始阶段随着接触角的增加而增大，当达到一定值后迅速减小。 N．J．Shirtcliffe等还将硫酸铜溶液中的铜元素通过电沉积法沉积到平坦的铜片表面，使其表面形成一定的粗糙度，然后用氟碳的有机化合物对其进行化学修饰，形成超疏水性表面，水滴与其表面的接触角为1650。张希掣通过层层组装技术和电化学沉积技术的结合，在金丝表面构造出超疏水表面。他们还通过分子自组装和电化学方法在金表面构造出对PH敏感的超疏水表面，当水滴的PH值变化时，所构造的表面可以从超疏水状态转化为超亲水状态。此外，还有利用热解方法在金属表面制备超疏水表面。A．Satyaprasad等163J采用热处理方法使聚四氟乙烯残渣热解产生碳氟化合物分子，通过扩展的等离子体让这些分子沉积成类聚四氟乙烯薄膜，水滴在其上的接触角达到1650。这几种方法虽然各有优点，然而，存在有些刻蚀剂或是氧化剂溶液对环境存在危害；需要使用ll电化学沉积技术，不易推广；尤其不容易大面积制作，量产更难；获得的超疏水表面耐久性能差也是金属基超疏水表面材料制备的一个瓶颈。因此采用环境绿色的简单制备技术得到耐久性能优良。
3仿生材料学的发展前景
生物纳米材料科学已展示出激动人心的前景,此领域最终目标是在纳米水平制造功能性生物材料。探索生物纳米材料可以更好地理解生命科学与材料科学交叉领域的根本原理。
现有的骨组织工程细胞外基质材料都有各自的优缺点。天然衍生材料作为骨组织工程的支架材料,具有生物相容性好,能够形成与人骨类似的多孔结
构,其降解产物易于被吸收而不产生炎症反应等优点;但也存在着力学性能差,难以加工成形,降解率与成骨速率不协调,使用高毒性和挥发时间长的溶剂,加工过程劳动强度大,高分子基质中残留粒子,不同批次的产品质量不统一等缺点,影响了组织工程的研究和其产品在临床上的应用。未来的新型基质材料将是博取各种材料的优点、充分适应体内各种生理环境并能采用智能化的加工方式进行大批量生产的仿生材料。
陶瓷虽然耐高温但很脆,经不住汽车飞速行驶的震动而易碎裂。利用功能仿生学原理
选择碳化硅陶瓷薄片涂以石墨层,热压成型,使坚硬的碳化硅陶瓷粘在石墨层上,石墨起粘
接剂的作用,很好地解决了陶瓷因震易碎裂的问题。在日本,人们试图将竹子和竹节的抗
弯、抗裂强度机制广泛用于飞机、火箭及其它结构上。大象游泳时可以通过改变体形来
减少阻力。于是人们设想,如果能够制造出随着速度的提高而改变形状的船舶或飞机,那
么就能用最少的能量达到最高的速度。因此,研究大象改变体形的机制有可能为寻找这类
材料找到线索。
材料的发展趋势是复合化、智能化、能动化、环境化,而仿生材料具有这几方面的特
征。仿生材料学的发展和成果将影响到社会的各个角落,不仅为人体器官的置换和生物体
系统的人为改良带来变革,而且将使材料的制备及应用产生革命性的进步,如利用生物合
成技术在常温常压水介质中完成目前必须在高温高压恶劣环境中才能合成出的产品,且
符合自愈合化、智能化和环境化的要求,这些将极大地改变人类社会的面貌。
参考文献
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光敏高分子材料的研究进展
光敏高分子材料的研究进展 骆海强，重庆大学化学化工学院应用化学2班 摘要：由于当今材料科学技术的快速更迭，高分子材料逐渐成为材料科学领域中极具发展潜力的一类材料。在可利用能源不断缩减的今天，光敏高分子材料的研究力度大大提升，逐渐成为现代生活中不可或缺的部分。本文分别对光敏高分子材料的四大类——感光性高分子材料、光能转化高分子材料、光功能高分子材料及高分子非线性光学材料本身的特性及应用进行了综述性概括，以便快捷了解光敏高分子材料的特点。 0前言 随着材料科学技术相关研究人员在该领域的不断探索，高分子材料无论是在科研领域还是社会生活中，都扮演着极为重要的角色。在光电材料研究风气盛行的当下，太阳能电池、太阳能汽车等光能利用、转化设备普及的大环境下，光敏高分子材料的研究力度渐渐增加，也得到了许多理想的科研成果， 1光敏高分子材料概述 在光照下能表现出特别性能的高分子聚合物即为光敏高分子材料，是材料科学里一类主要的功能高分子材料，所触及范畴也较为普遍，如光致抗蚀剂、光导电高分子、高分子光敏剂等功能材料。 光敏高分子材料根据其自身在光照条件下所产生的反应类型及其展现出的特征性能，可以分成如下四类：感光性高分子材料、光能转化高分子材料、光功能高分子材料及高分子非线性光学材料。 现基于以上分类，对各种材料进行阐述。 2 感光性高分子材料 在光照下可以进行光化学反应的高分子材料常被称为感光性高分子材料。
根据其用途可分为光敏涂料和光刻胶。 2.1光敏涂料 2.1.1光敏涂料的作用机理 光敏涂料具有光敏固化功能，可以利用光交联反应或光聚合反应，使其中的低聚物聚合成膜或网状。经过恰当波长照射后，光敏涂料会快速固化，获得膜状物。因为固化过程较为稳定不易挥发溶剂，从而降低了排放，提高了材料利用，保障了安全性。而且由于是在覆盖之后才发生的交联，使图层交联度更好，机械强度也更稳固。 2.1.2光敏涂料的中常见低聚物的类型 以铁酸锌环氧酯错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。涂料为一类的环氧树脂型低聚物，在紫外光的处理下，给电冰箱表面上漆，能够是冰箱表面具有很好的柔顺性且不宜脱落。以含氟丙烯酸酯预聚物错误!未找到引用源。为一类的不饱和聚酯型低聚物，与光引发剂等结合后形成的混合型涂料，其硬度、耐挂擦力、附着力等性能大大提高。此外还有聚氨酯型低聚物错误!未找到引用源。及聚醚型低聚物。 2.2光刻胶（光致抗蚀剂） 2.2.1光刻胶的作用机理 生产集成电路的现有工艺中，通常会用这类感光性树脂覆盖在氧化层从而避免其被活性物质腐蚀。将设计好的图案曝光、显影，改变了其溶解性，其中树脂发生化学反应后去除了易溶解的物质，氧化层表面留下不溶部分，从而避免氧化层被活性物质腐蚀。 2.2.2光刻胶的分类 正性光刻胶和负性光刻胶错误!未找到引用源。是根据曝光前后涂膜的溶解性来分类的。其中正性光刻胶受光后会降解，被显影液所消融；而与之相反，在光照后，负性光刻胶获得的图形恰好与掩膜板图形互补，即曝光处会发生交链反应形成不溶物残余在表面形成图像，而非曝光处则如正性光刻胶同样被消融，。 根据光刻胶所吸收的光的紫外波长，还可将其分为深紫外(i-线，g-线)光刻胶，远紫外(193 nm)光刻胶和极紫外(13. 5nm)光刻胶错误!未找到引用源。。Lawrie等错误!未找到引用源。经过多次实践合成了一种感光灵敏度为4~6 mJ/cm2、分辨率为22.5 nm的
耐磨材料的现状及未来发展趋势
耐磨材料的发展现状及未来发展趋势 正因为这些由本征特性TC、HC2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高TC超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。 能源材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40％。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50％用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。 生态环境材料生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOX、NOX催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。 智能材料智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的耐磨材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。 2、国内耐磨材料发展的现状和差距 我国非常重视耐磨材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种耐磨材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在耐磨材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土耐磨材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等耐磨材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢
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仿生机械鱼研究新进展
“如果瞧到一只游动得鱼，您会想到什么？”如果有人问起这个 问题，按照笔者得思维，准就是会回答：“清蒸得得话会就是非常得鲜 美，红烧得得话口感应该会更加香。”而带着同样得问题，笔者走进仿生 机器鱼课题组,组员们给出得答案却超出了R常生活，她们得回答 就是：“瞧见尾鳍得一摆一动，勾起我们得就是如何能进一步改进控制算法，在仿生鱼身上更完美地实现鱼类得波动推进方式。” “用智能算法来理解鱼之乐” 按预约得时间，笔者来到了仿生鱼课题组所在得办公室——自动化大厦9层906室。课题组成员王硕研究员热情地将我们请到了十三层咖啡厅，点上一壶茶水，在茶叶得沉落之间，为我们一一讲述关于仿生机器鱼得话题。 仿生机器鱼得研究工作由复杂系统控制与管理国家重点实验室得谭民研究员组织与指导，多名研究员、副研究员与在读博士生、硕士生共同合作开展。 一边品茶，王硕一边回忆起课题组得情况。顺着时间得脉络，她将课题组得情况进行了简要得回顾。 王硕告诉笔者：“仿生鱼作为课题组得研究内容，已经长达十余年之久。最早就是在2001年，谭民老师与北京航空航天大学王田苗教授交流时，谈到就是否可以将研究所智能控制算法应用于工业设计中。 受其启发，课题组开始了仿生鱼得研究。” 2001年算就是探索起步阶 段，这一时期主要就是对鱼类得跟踪模仿。 到2003年前后，课题组得研究进入到一个新得阶段：三维仿生运动阶段。为了提高任务得环境适应性，需要机器鱼具有水中得三维运动能力， 也就就是需要机器鱼除了推进外还要能够上浮下潜，甚至维持某一深度。
课题组在已有多关节仿生机器鱼得基础上，总结设计了一种新型机器鱼，基于改变胸鰭攻角法，完成仿生机器鱼得俯仰与浮潜运动，设计得机器鱼既可实现俯仰与浮潜，响应迅速，动态特性好。 到2004年，课题组提出一种基于重心改变法得仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法，用于实现机器鱼水中得浮潜运动。据介绍，这种方法利用一种可调整位置得配重块结构，以改变机器鱼得重心位置，进而实现机器鱼俯仰姿态得调节。 2005年之后，课题组开始了仿生机器鱼转身、快速起动、运动中 变速与转向、倒游、定深、制动等高机动控制研究。 经过十多年得坚持与攻坚，课题组在对鱼类深入观察得基础上，结合仿生学、机器人学、材料学、机械学与智能控制，深入探讨了鱼类游动得机制，形成了身体/尾鰭推进、胸鳍推进、子母式、长鳍、两栖、海豚式推进等多个系列，聚焦高机动、高游速两大指标，目前已实现利用多模式控制技术将多种性能集成到高性能机器鱼平台。课题组成员 介绍说，她们所研制出得多仿生机器鱼群体协作与控制仿生机器鱼, 就是参照鱼类游动得推进机理，利用机械、电子元器件与智能材料实现水下推进得运动装置，具有低噪声、高效率、高机动性、高隐蔽性等特点。 目前，课题组已在机器人学得顶期国际期刊IEEE Transactions on Robot i cs 与I EEE Robotics and Automat io n Magaz i ne 上发表多篇文章，在国际仿生机器鱼领域占有重要得一席之地。 “在鱼类身上找寻前行得新力量” 随着科技得深入发展与产业、军事等领域应用需求得拉动，仿生机器学(Biomimetics)研究越来越受到关注。“通过研究、学习、模仿得仿生学方法来复制与再造生物得形态、结构、功能、工作原理及控制机制等已成为机器人学得一项重要研究内容。”王硕说道。
仿生结构及其功能材料研究发展
仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 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智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 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.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. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.
生物医用高分子材料研究进展及趋势
生物医用高分子材料研究进展及趋势
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 医用材料学课程学习总结及结课论文生物医用高分子材料的研究及发展趋势
学院名称：材料科学与工程 专业班级：金属1302 学生姓名：钱振 指导教师姓名：王宝志 2016年 10 月 生物医用高分子材料的研究及发展趋势 钱振 学号：63 班级：金属1302 材料科学与工程学院 摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，分子材料在各领域得到了显著应用，在医用领域应用更多，本文综述了生物医用高分子材料的分类、特点及基本条件，概述了医用高分子材料的研究现状及其用途，并浅谈了医用高分子材料的发展及展望。通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。 关键词：生物材料，生物医用高分子材料，现状，应用，展望 1.引言 生物医用材料是生物医学科学中的最新分支学科，它是生物学、医学、化学、 物理学和材料学交叉形成的边缘学科，是用于人工组织或器官制备、高性能医疗
器械的研制、药物新剂型的开发和和仿生效应研究的基础[1] 。 生物医用材料，简称生物材料(BiomaterialS)，是一类具有特殊性能或功能，用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料]2[。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学]3[，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗、心血管、骨修复、神经传递、皮肤、器官、药物控释等）。 2.研究现状 生物医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的高分子材料。在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料取得了长足的进展，目前已成为发展最快的一个重要分支。随着医用高分子产业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起博器及骨生长诱导剂等。近10年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。 生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，它发展最早、应用最广泛、用量最大、品种繁多，主要包括：塑料、橡胶、纤维、粘合剂等。随着医学的发展，这些材料在医学领域得到广泛的应用。如:膨体聚四氟乙烯人造血管、聚矾中空纤维人工肾、硅橡胶医用导管、介入栓塞材料、介入诊疗导管以及护理方面使用的一次性医疗用品等，都是由高分子材料制成的。这些产品在临床诊断、治疗、护理等方面起着越来越重要的作用。正是由于高分子材料在医学上的独特作用，因而在高分子化学上出现了一个新的分支—医用高分子(Medical highpolymers)。它是把高分子化学的理论、研究方法、临床医学的需要结合起来，用于研究生物体的结构、生物体器官的功能及医用材料的应用等的一门年轻而边缘性的学科]4[。
仿生机器人的研究现状及其发展方向
第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周 华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘 要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1 仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
仿生材料研究与进展 王一安 刘志刚
齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。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、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、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。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、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、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
仿生材料电活性聚合物_人工肌肉_的研究进展
仿生材料电活性聚合物/人工肌肉0的研究进展 李晓锋梁松苗李艳芳王永鑫徐坚* (高分子物理与化学国家重点实验室,中国科学院化学研究所,北京100080) 摘要:自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。20世纪中期,人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性,从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。随 着研究的发展,仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以 及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究 重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在 一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为/人工肌肉0。近二十年来,在电活 性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/人工肌肉0研究得以飞速发展。 关键词:仿生;人工肌肉;电活性聚合物;驱动器 引言 肌肉是生物学上可收缩的组织,具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能,一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源,人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉0研发。上世纪50年代,M cKibben首次研制了气动驱动器,并发展成为商业上的Mc Kibben驱动器[1],但是作为人工肌肉材料,M cKibben驱动器体积大,而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[2],与同时代的驱动材料相比,具有高能量密度和低比重等特点,但同样存在许多不利因素,如形变不可预知性,响应速度慢以及使用尺寸受限等,这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料,其响应速度较形状记忆合金快,但是脆性大,只能获得小于1%的应变[3]。由于受材料的限制,人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段,直到一类新型材料)))电活性聚合物(Electroactive polymers,E AP)的出现。E AP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级,并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大,另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等[4]。EA P的出现给人工肌肉领域以新的冲击,从上个世纪90年代初开始,基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。 电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料,其显著特征是能够将电能转化为机械能。EA P开发应用可追溯到1880年,伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变[5]。之后在1925年压电聚合物被发现,但由于应变和做功很小,只被用作传感器[6]。1949年Katchalsky[7]发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀,这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。1969[8]年,研究者发现PVD F材料具有较大的压电效应,人们开始把目光投向其它聚合物体系,之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年,应变可以达到380%甚至更大的材料已被研制出[9]。随着E AP材料研究的不断深入和发展,其巨大的应用前景已呈现在人们面前。E AP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉,可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化,从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造/昆虫0机器人,可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器,可用于制 基金项目:国家自然科学基金(50425312,50521302,50673097),973项目(2007CB936400)和中国科学院方向性创新项目; *作者简介:李晓锋(1982-),男,博士研究生,从事凝胶电场驱动研究; *通讯联系人,E2mail:jxu@https://www.360docs.net/doc/593740429.html,.
生物功能材料的研究进展
生物功能材料的研究进展 随着人民生活水平的提高，人们对于医疗保健方面的要求也越来越强，使得对于生物医用材料的要求也越苛刻。本文详细阐述了生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况，综述了国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望了未来的生物医用高分子材料的发展趋势。 生物功能材料和加工技术的发展, 使得人工合成材料在医学上的应用, 变得越来越广泛。数十年的医学发展和临床应用, 证明医用高分子材料在人体内外, 获得了成功的应用, 而医学的进步, 又给高分子材料提出了大量新的课题, 使其向“精细化”, “功能化”的方向发展, 赋予了高分子材料以新的生命力。 生物医用高分子材料分合成和天然两大类，下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。 ﹙1﹚天然生物材料 天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。例如：迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质，海洋生物能长出色彩斑斓、坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等。甲壳素又称几丁质（chitin），广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖，用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖（chintosan）。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中H-6水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。比如家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分，丝素蛋白是一种优质的生物医学材料，具有无毒、无刺激性、良好的血液相容性和组织相容性。根据研究报道，由于天然高分子医用材料的独特临床效果，它的应用前景相当广阔。﹙2﹚合成生物材料 由于天然材料的有限，人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。 合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅
仿生学现状及其对科技发展的影响
2009 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:机械工程专题讲座 学生所在院（系）:机电工程学院 学生所在学科:机械设计及理论 学生姓名:李鹏飞 学号:08S008257 学生类别: 考核结果阅卷人
仿生学现状及其对科技发展的影响 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有……性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机……。1960年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始。 仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。 现状 仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议，第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳
仿生材料学研究进展
仿生材料学研究进展 摘要：本文介绍了可降解塑料的研究进展，论述了仿生材料学研究进展及其种类，重点介绍了当前研究热点：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料… 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 1.引言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。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、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、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 2.仿生材料 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成.动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就是仿生材料.
2.1表面仿生超疏水材料 自然界中的超疏水现象近年来，基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展，人们对于超疏水表面的研究就是受到荷叶“出淤泥而不染”这种现象的启发而不断发展起来的。固体表面的润湿性可以用表面和水的接触角来衡量，通常将接触角小于900的固体表面称为亲水表面，接触角大于900的表面称为疏水表面，而将接触角大于150。的表面称为超疏水表面llI。自然界中，水滴在荷叶表面上可以自由滚动，当水滴滚动时可以将附着在表面上的灰尘等污染物带走，从而使表面保持清洁。因此，超疏水表面 又被称为自清洁表面。20世纪90年代，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott针对荷叶表面不沾水这一特殊现象进行了一系列的实验，发现了荷叶的疏水性与自我洁净的关系，创建了“荷叶效应”(Lotus effect)--i百-Jt21。此后，超疏水表面在世界范围内引起了极大的关注，并且逐渐成为仿生纳米材料技术中的热点之一。这种表面在国防、工农业生产和日常生活等许多领域都有着极其重要的应用前景。例如，将其应用在高降雪地区的室外天线上，可以防止积雪，以保证信号畅通13J：用于石油管道中，可以防止石油对管道壁粘附；作为汽车、飞机、航空器等的挡风玻璃，不仅可以减少空气中灰尘等污染物的污染，还能够使其在高湿度环境或雨天保持干燥：用于水中运输工具或水下核潜艇上，可以减少水的阻力，提高行驶速度；用于微流体装置中，可以实现对流体的低阻力、无漏损传送；也可以用它来修饰纺织品，做防水和防污的服装等等。
仿生材料的研究现状及应用
仿生材料的研究现状及应用 1.研究背景 人类探索自然的历程经历了数千年, 然而至今仍然不能对生命的运作施加任何控制。人体内的细胞按照遗传既定的程序运做着。这种自发性从6 亿年前的单细胞组合开始, 造就了海藻、水母、昆虫、鸟兽, 直至人类这样的多细胞生物体，生物化石等等。因而就激发了今天的人类仿造天然的灵感。材料科学技术与生物技术、信息技术和能源技术一起成为现代社会文明发展的四大支柱。从材料的角度来研究生物体的规律，进行仿生设计，为新材料的设计和制备开辟了新的途径。仿生材料的发展日新月异，它已成为生物科学、材料科学、医学、矿物学、化学等众多学科的研究热点，并在各领域取得了一定的进展。这一切充分说明仿生材料这门年轻学科正在成熟，其广阔的研究和应用前景不可估量。 2.国内外研究现状 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。 3。仿生材料相关介绍 3。1仿生材料学定义 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。 3。 2仿生材料化学 著名的生物矿化和仿生纳米材料学家, 英国Bristol 大学S。Mann 教授在2002 年美国Gordon 会议上有一个题为“基质诱导成核: 一个矿化过程的介观现象?”的精彩报告。报告指出, 生物矿物通常在有机的模板如大分子框架、脂膜或细胞壁表面合成。因此, 第一需要理解生物源的矿物生长和形态发生,例如, 磷酸钙、碳酸钙和氧化硅如何在有机分子和有机表面存在时发生沉积过程。第二, 利用生物结构和系统, 在实验室内模拟矿化过程, 从而在有机组分如病毒和细