仿生材料
源于自然的力量——仿生材料
一、神奇的大自然——仿生学
自然界的创造力总就是令人惊奇,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,并具有自适应性与自愈合能力,如竹、木、骨骼与贝壳等。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与最佳的综合性能。
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;海洋生物乌贼与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,使得黑夜观瞧成为可能;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,就是近年快速崛起与发展的研究领域,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。
仿生学就是模仿生物的科学,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、工作原理与系统构成;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、功能仿生与系统仿生 3个方面。
二、了解仿生材料
仿生材料的定义
仿生材料就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与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),它就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,就是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都就是由无机与有机材料组合而成。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,并且具有自适应性与自愈合能力,在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都就是最佳的。
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
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与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与功能的认识与感知;
2)对天然生物材料性能的研究;
3)仿生设计新型材料。
第一阶段主要就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与灵感;第二阶段则就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,揭示其构成机理与运行机制;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与理念,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与纳米仿生材料等。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、能动化与环境化的趋势发展,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) 就是片状文石,其余5%就是蛋白质—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。单个文石晶片就是微米级的单晶,其间嵌合有孪晶与非晶区。珍珠层中的文石晶体 C轴取向一致,与珍珠层垂直。
珍珠层文石晶体与有机基质的交替叠层排列方式就是其高韧性的关键所在。根据这一原理把SiC薄片涂以石墨胶体,沉积烧结成复合叠层材料。该材料的破裂韧性有了极大提高,破裂功提高了约100倍。采用叠层热压成型制备的SiC/Al 增韧复合材料,其断裂韧性比无机SiC提高了2～5倍。Jackson等在研究TiN/Pt 叠层微组装材料时发现:合成材料的硬度与韧性取决于TiN与Pt层的厚度,一定的TiN与Pt层厚度会使材料的硬度与韧性得到最佳结合。这样的材料不仅具有陶瓷材料的强度与化学稳定性,而且具有金属材料的抗冲击能力。当一层膜厚度达到纳米级时,有可能发生特殊的尺寸效应,这就是一个非常值得深入追踪的领域。利用这一特点,可以开发出新型的超硬材料,在减摩与耐磨等方面加以应用。
蜘蛛丝仿生材料
从20世纪90年代开始,美国投入很大力量从事这项研究工作,并已取得许多重要成果。蜘蛛丝就是庞大天然生物材料中的一员。天然蜘蛛丝就是世界上最结实、坚韧的纤维之一,具有极好的机械强度,其强度远高于蚕丝与涤纶等,刚性与
强度低于KFVIAR与钢材,但其断裂能位于各纤维之首,高于KFVIAR与钢材。因此,它比高强度钢或用来制作防弹服的KFVIAR纤维更坚韧,且更具有弹性,质量又轻。据科学家计算,一根铅笔粗细的蜘蛛丝束,能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。
与人造纤维相比,蜘蛛产生纤维的过程与纤维本身对人类与环境都就是友好的。蜘蛛丝还具有高弹性、高柔韧性与较高的干湿模量,就是人们已知的世界上性能最优良的纤维。此外,蜘蛛丝还具有信息传导与反射紫外线等功能。
加拿大魁北克的科学家将人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。不久,基因被改变的山羊产出的奶中就含有了蜘蛛丝的蛋白质。加拿大Nexia 生物技术公司总裁杰夫·特纳说,这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物,其强度可挡住子弹,还可降解,这种材料被称之为“生物钢”。生物化学家们认为, “生物钢”有广阔的应用前景,它在任何方面都优于石油化工产品。
纳米仿生材料
纳米材料(颗粒直径为1～100nm)以其体积效应与表面效应显著区别于一般的颗粒与传统的块体材料。核酸与蛋白质就是执行生命功能的重要纳米成分,就是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互作用,编织了一个复杂与完美的生物世界。
生物纳米材料可分为4类,即天然纳米材料、生物仿生与人工合成的纳米材料、智能纳米复合材料、合成的纳米材料与活细胞形成的复合材料或组织工程纳米材料。纳米材料问世以后,仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料,这就是因为自然界动物的筋、牙齿、软肾、皮、肾骼与昆虫表皮等都就是纳米复合材料。
四、仿生材料的成果
鲨鱼皮肤－泳衣
一件泳衣,在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣——连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构,泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起,能有效地引导水流,并收紧身体,避免皮肤与肌肉的颤动。
此后,仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点,加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料,可使人在水中受到的阻力减少4％。此外,还增加了两个附件,附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松;附在胸前与肩后的振动控制系统能帮助引导水流。
雌蛾求爱－防治害虫
我国科学家破译了雌蛾的化学语言后,研制出“仿生诱芯”,即人工合成雌性飞蛾吸引雄性飞蛾的激素的气味、然后将其加入一种硅橡皮塞中,置于诱捕器中,使其缓缓释放,引诱大量的雄蛾自投罗网,既杀虫,又可根据诱捕量预测害虫的发生期。迄今为止,我国科学家已研制成功60多种“仿生诱芯”,对我国主要农林害虫的测报与防治起了重要作用。
仿生荷叶
中国科学院化学研究所的仿生材料专家徐坚研究员与她的研究小组发明了制造“仿生荷叶”技术,这项技术将应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品,因而引起广泛关注。研究人员分析了荷叶的表面细微结构,发现其表面有许多乳状突起,这些肉眼瞧不见的小颗粒,正就是“荷花自洁效应”的成因,可以让荷叶不沾染脏东西。于就是,专家们模仿了荷叶的表面结构,研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上就是一种人造高分子薄膜,不沾水、不沾油,同时,还具有类似荷叶的“自我修复”功能,仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水与自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料与涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”可以用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘。
人造壁虎
英国 BAE 系统公司新开发出的“人造壁虎”材料,成功模仿壁虎足结构,让沿光滑表面的垂直攀爬变得轻而易举。这款黏贴性极强的材料,源自对壁虎足的仿生。壁虎足上覆盖有极细的绒毛,小且细,能够很好地与所接触物体的分子相结合,使壁虎能在各个方向牢牢吸附于物体表面。更妙的就是,极强的吸附力并不会阻碍壁虎自如行走,壁虎走动时能将四肢轻易提起,这种随意行走的本事为科学家的研究带来了灵感,并一心想通过对壁虎仿生研制出人造壁虎足。试验证明,BAE 公司的这种人造壁虎材料吸附作用显著,1mm2便能吊起一辆家用汽车。研究小组介绍说“我们先研制出了少量材料,并且证实它的确能有效黏附于光滑玻璃表面上。同时,它还可以多次使用,尽管现在还没有研制成功真正的‘蜘蛛侠’服,但就理论而言,应该不成问题”。
仿生成果已不断涌现,并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍,这些仿生学成果应用于经济、军事与人类卫生事业后,在全球经济中所创造的份额会越来越大。
五、仿生材料的未来
破解生物之谜,研制仿生材料的路还很漫长。目前人类的研究才刚刚起步,而仿生材料的前途似锦却就是毋庸置疑的。
现今,材料的发展趋势就是复合化、智能化、能动化、环境化,而仿生材料具有这几方面的特征。仿生材料学涉及面如此之广,它的发展或成功将影响到社会的各个角落。生物材料的一个显著特征就就是具有多样化规模的组织结构。欧盟对未来仿生学的研究应集中在两个方面:仿生材料体积小型化与功能多样化、仿生材料的有机复合。仿生材料目前的主要研究内容就是仿照生物为适应内部与环境对其自身功能与结构的完美设计来构造生物材料的方法,用以制备生物相容的医用材料或性能优异的工程材料。仿生材料与生物医用及医疗材料就是两个主要方向。
根据时代的不断发展与纳米技术的不断成熟,纳米型仿生材料必定成为未来仿生材料研究人不懈努力的方向,各种各样的纳米仿生材料的功能需求使人们再次走进自然做仿生材料。