自然与人工-天然生物材料
仿生材料——精选推荐
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。
化工行业生物降解材料
化工行业生物降解材料生物降解材料是一种具有可持续发展特性的新型材料，其在化工行业具有广泛的应用前景。
本文将从生物降解材料的定义、分类、特性以及在化工行业的应用等方面进行论述。
一、生物降解材料的定义及分类生物降解材料是指在自然环境中通过生物作用被分解为无害物质的材料。
根据其来源和性质，生物降解材料可分为天然生物降解材料和人工合成生物降解材料两大类。
天然生物降解材料主要来自于植物、动物和微生物等自然界的原生材料。
例如，纤维素、木质素等植物纤维材料、明胶、羊毛等动物来源的材料，以及多糖类、蛋白质等微生物合成的材料都属于天然生物降解材料。
人工合成生物降解材料则是通过化学合成或生物技术手段制备而成的材料。
例如，聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等聚合物材料就属于人工合成的生物降解材料。
二、生物降解材料的特性生物降解材料具有一系列的优良特性，为其在化工行业的应用提供了有力支持。
1. 环境友好：生物降解材料可以自然降解为无害的物质，减少对环境的污染。
2. 可持续发展：生物降解材料主要来自可再生资源，与石化塑料相比，不会耗竭化石能源。
3. 良好的物理性能：生物降解材料具有较好的可塑性、强度和耐热性能，可以满足各种应用领域的需求。
4. 多样性：生物降解材料可以制备成薄膜、纤维、泡沫等多种形式，适用于不同的工程应用。
三、生物降解材料在化工行业的应用生物降解材料在化工行业中有着广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：1. 包装材料：生物降解材料可以用于食品包装、医药包装等领域，能够有效延长产品的保鲜期，并且不会对食品、药品等产生有害物质。
2. 农用材料：生物降解材料可以制备成农膜、育苗盘等农业用品，用于提高农作物的产量和质量，同时减少对土壤的污染。
3. 生物医学材料：生物降解材料在生物医学领域有着广泛应用，例如可用于制备缓释药物、可降解支架等，可以促进组织修复和再生。
4. 环境修复材料：生物降解材料可用于制备吸附剂、膜过滤材料等，用于水处理、油污清洁等环境修复领域。
自然光合作用和人工光合作用的差异和应用
自然光合作用和人工光合作用的差异和应用光合作用是指植物利用阳光能将二氧化碳和水转化为有机物质的生物化学反应，是维持地球生态平衡的重要过程。
但是，光合作用不仅能被自然界所利用，还可以被人工运用。
在这篇文章中，我们将探讨自然光合作用与人工光合作用的差异以及人工光合作用的应用。
自然光合作用的过程植物通过自然光合作用，将光能转化为化学能，并将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。
光合作用大致可以分为光反应和暗反应两个阶段。
光反应在氧化还原反应中产生了 ATP 和 NADPH，在暗反应中使用 ATP 和 NADPH 来合成有机物质。
大部分的光合作用发生在植物体内叶绿体中的叶绿体膜中。
因此，自然光合作用核心是以叶绿体为处理器以及通过光合色素，将太阳能转化为植物所需的能量并进而产生生命质量能。
这就给了我们一个有趣的思路——如果不依赖自然界，我们是否能够重现这个过程并将其应用于我们的生活中呢？人工光合作用的实现人工光合作用是指通过人工合成某些具有光合作用能力的材料，来进行能源的转化。
例如，通过设计合成出光纳米粒子、电子传递程序、有机化合物结构等来模拟和完成光合作用。
通过模拟自然光合作用的过程，人工光合作用试图跳出自然界的限制，从而实现更快、更便捷的将光能转化为化学能。
人工光合作用的关键之一就是需要找到一个能够将太阳能有效地转化为化学能的材料。
当前，尚未发现理想的光合作用材料，因此人们主要利用某些具有特殊结构和性质的材料来模拟光合作用。
其中，最受人们关注的是无机和有机材料。
无机材料主要指的是金属氧代物和半导体，而有机材料则是指一些有机分子或者有机矿物。
无机半导体材料通常具有高效的电子传输性能，从而可以充分利用光的能量，同时通过设计不同的结构和组分来实现空间分离所需要的条件。
而有机化合物则具有基础纳米材料和有机材料的双重特性，通常具有更高的光吸收能力，同时具有良好的可控性。
应用人工光合作用的应用前景非常广阔。
一方面，由于太阳能的光照和稳定性限制，光电池的性能往往无法得到有效的提升。
自然与人工-仿生材料
自然与人工——天然生物及其仿生材料第二节仿生材料⏹1992年，美国的秋季材料研讨会增加了“受生物系统启发的材料研究”（Materials Research Inspired by Biological Systems）这一分会，标志着材料的仿生研究受到广泛的关注。
⏹仿生材料是指受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料。
材料仿生的分类⏹仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，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。
⏹材料仿生包括结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合（复合）仿生。
材料仿生的过程大致可分为三个步骤，即仿生分析、仿生设计和仿生制备。
竹材的结构与仿生从微观组织上竹材可大体分为厚壁细胞和薄壁细胞，竹的横断面结构中薄壁细胞为竹材的基体，而厚壁细胞即竹纤维为竹材的增强体。
竹材中竹纤维硬度高于其基体材料，由于竹纤维的密度从表到里逐渐减小，竹材表层的耐磨性最高。
典型材料结构与仿生竹材磨粒磨损表面形貌竹纤维的微观结构 竹纤维是空心多层，由薄厚交替的多层构成，每层又有更小的微纤丝，微纤丝按螺旋方式排片，在厚层中螺旋升角为3°~10°，而薄层中螺旋升角为30°~90°，多数为30°~45° ，避免了几何与物理突变，改善了层间结合。
四种仿竹纤维模型有过渡区的竹纤维其纤维壁结构平直与螺旋纤维的拉伸性能三种螺旋碳纤维的结构形貌◆木材的结构与仿生⏹ 木材是一种宏观纤维增强复合材料。
仔细观察其年轮，可以看到其组织的疏密。
以针叶树为例，内侧组织粗糙柔软，称早材；外侧组织致密坚硬，称晚材。
早材具有从树根向树叶输送树液的作用。
晚材的管胞细胞壁厚，承担木材的机械强度，其特征是具有坚硬的细胞壁。
材料◆木材-无机质复合材料◆木材结构陶瓷复合材料松木和竹子及其SiC-Si复合材料的SEM照片贝壳的结构与仿生几种常见贝壳的微观结构 a.真珠层 b.叶片层 c.棱柱层d.交叉叠合e.复合层片 在结构仿生方面最引人注目的是软体动物的贝壳珍珠层层状结构的仿生。
人工林与天然林对比及其在林业发展中的作用与差异
人工林与天然林对比及其在林业发展中的作用与差异林业在人类社会中担负着重要的生态、经济和社会功能。
在林业发展过程中，人工林和天然林作为两种不同的森林类型，各自具有独特的特点和作用。
本文将比较人工林和天然林的差异，并探讨它们在林业发展中的作用。
一、人工林与天然林的定义人工林指的是经过人工种植、管理和培育的森林，包括人工造林和人工更新。
它可以用于木材、能源、纸浆和环境保护等方面。
天然林是指自然生长的森林，没有经过人工干预的种植和管理。
它们是自然演替的产物，生态系统稳定，具有高度的生物多样性。
二、人工林与天然林的差异1. 林木组成人工林以经济树种为主，如松树、桉树和柳树等。
这些树种生长周期短，适应性强，木材产量可控制。
天然林具有更多的树种多样性，包括乔木、灌木和草本植物。
它们能够提供丰富的生态系统服务，维持大气的水循环、土壤保持和生物多样性。
2. 生态功能人工林的生态功能相对较弱。
由于树种单一，生态系统的稳定性较差，生物多样性相对较低。
然而，人工林对于生产木材和提供经济效益方面却具有很大的价值。
天然林具有丰富的生态功能，能够保持水源、防止水土流失、减缓气候变化、调节气候、净化空气和吸收碳等。
同时，天然林也是野生动植物的天然栖息地。
3. 持续利用人工林的木材生产具有可控性和可持续性。
通过人工选种、无性繁殖和定期砍伐，可以满足人们对木材及其衍生产品的需求。
天然林的木材资源难以持续利用。
天然林的生长周期长，木材采伐对生态系统的影响较大，容易破坏生态平衡。
三、人工林与天然林的作用1. 经济作用人工林是木材、纸浆、家具和能源等重要的原材料供应来源。
人工林的经济利益可以推动当地经济的发展，提供就业机会。
天然林也能提供木材资源，但因采伐受限，经济效益相对较低。
天然林的作用主要体现在保持生态平衡和提供生态系统服务上。
2. 生态作用人工林在防风固沙、治理荒漠化和提高土壤质量等方面发挥着重要作用。
它们还可以净化空气、水源和保护生物多样性。
天然纤维和人造纤维有什么区别？
天然纤维和人造纤维有什么区别？一、来源不同天然纤维是指由动植物提供的自然原材料，例如棉花、麻、丝和羊毛等。
这些纤维通过自然生长，经过提纤和加工，形成了广泛应用的天然纤维材料。
而人造纤维则是通过化学合成或人工加工，由人类创造的纤维材料，如人造棉、人造麻、人造丝和人造羊毛等。
这些纤维通常是由天然原料中提取出来的纤维素，经过化学处理和纺丝加工，制成纺纱材料。
二、结构差异1. 天然纤维的结构较为复杂，表现出多孔性和吸湿性能。
例如，棉花纤维由许多细胞构成，纤维中含有大量的多糖和蛋白质，使其具有优异的透气性和吸湿性，从而适合制成夏季服装。
而人造纤维结构相对简单，通常为单纤维或合成纤维材料。
它们的纤维间互相排列，纤维表面光滑，这使得人造纤维具有良好的透气性和柔软性，适合制作各种服装。
2. 天然纤维具有更好的抗静电性能。
天然纤维与人体皮肤的接触能够减少静电的生成，并且静电能够通过纤维的导电性而迅速消散。
而人造纤维则相对较差，容易产生静电，并且静电会在材料表面积聚，给人体带来不适。
3. 天然纤维的强度和耐磨性相对较高。
例如，羊毛纤维由于其结构的特殊性，使其具有优良的弹性和耐磨性能，而且能够有效调节体温。
人造纤维的强度和耐磨性则相对较低，容易发生断裂、褪色或变形等问题。
三、环保性评估天然纤维在生产和处理过程中对环境污染较小。
例如，棉花的种植过程相对较为环保，不会对土壤和水源造成污染。
而人造纤维在制造过程中常常需要大量的化学物质和能源，不可避免地会产生一定程度的环境污染。
此外，人造纤维在废弃后的降解速度较慢，对环境的影响较大。
四、用途差异天然纤维由于其吸湿性、保温性和透气性等特性，在服装、家居纺织和医疗领域得到广泛应用。
而人造纤维则由于其柔软度、耐磨性和易处理性，适用于制造各种纺织品、合成革和包装材料等。
总结起来，天然纤维和人造纤维在来源、结构、性能、环保性和用途等方面存在着诸多区别。
在选购纺织品或者进行纤维制品设计时，了解这些区别对于选择合适的材料具有重要意义。
8.《天然材料和人造材料》教学课件
基本问题
天然材料和人造材 料有哪些不同点？
什么是天然材料？
人们直接从自然界获取的，经过简单加工就 可以利用的材料，叫做天然材料。
我们每天都会利用各种生物和非生物，例如植物、 动物、岩石、土壤、水和空气。
生物天然材料： 植物和动物
非生物天然材料：岩石、土壤、水和空气
你还知道那些新型材料呢？
青岛版小学《科学Biblioteka 三年级下册配套课件 （五﹒四制）7.天然材料和人造材料
制作人：崔晓东
活动一：生活中的材料是从哪里获取的？
活动准备
学生准备：搜集有关天然材料、人造材料 和新型材料的资料。
教师准备：课件、记录表等
科学概念：
（需要背下来）
棉花、木材、羊毛、沙 子等取自大自然，经过 简单加工就可以利用， 属于天然材料；
玻璃瓶 塑料
铁锅
活动过程
思考：天然材料和人造材料分别有哪些优点呢？
天然材料容易获取、污染小、更环保；人造材料更适合人类的需求，更结实耐用。
常见材料的特点（不用抄写）
知识拓展：认识新型材料，了解新型材料 在生产、生活中的应用。（不需要抄写）
石墨烯 （不需要抄写）
石墨烯，被誉为“黑金”、“新材料之王 ”。它的厚度是头发丝的20万分之一，强度是 钢的200倍，是世界上已知的最轻最薄、功能最 强的材料。假如把石墨烯用在电池上，充电时间 只需短短数秒，电池就满档，可以连续使用半个 月！石墨烯汽车电池只需充电10分钟，环保节 能汽车就有可能行驶1000公里！这种电池可以 在零下40摄氏度到零上120摄氏度的环境中工作 ，而且寿命长，如果智能手机用上这种电池，每 天哪怕充电10次，也能用上近70年。
生物材料与仿生材料
生物材料与仿生材料早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。
生物界中的各种生物都具有许多卓越的本领。
如体内的生物合成、能量转换、信息的接收和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。
生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。
几十亿年的进化历程使得自然界生物体某些部位巧夺天工，具有特殊性质，给人研究仿生材料以启迪。
自然界中的生物体在长期的自然选择与进化过程中，其组成材料的组织结构与性能得到了持续优化与提高，从而利用简单的矿物与有机质等原材料很好地满足了复杂的力学与功能需求，使得生物体达到了对其生存环境的最佳适应。
大自然是人类的良师。
自然界存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。
天然生物材料是经过亿万年的自然选择与进化，在细胞调制下形成的，其基本组成单元很平常，但材料的微观结构很复杂，具有空间上的分级结构，通常是两相或多相的复合材料，表现出人工合成材料无法比拟的性能。
天然生物材料的优异性能可为人造材料的优化设计，特别是高性能仿生材料的发展提供有益的启示。
生物系统的准确与精巧使人们可以从生物体那里获得启示并设法解开自然界这一隐藏着的秘密——简单的“原材料”经活的有机体合成后，其性能可远远优于利用当今高技术生产出的高级人工合成物——仿生材料。
仿生材料就是受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。
对仿生材料的研究就是要研究生物物质的结构和功能，并以某种生物的特点进行材料的设计与制造，包括模仿天然生物材料的成分和结构、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备，以及模仿生物体系统的特定功能。
仿生材料（特别是生物医用仿生材料）与常用工业材料的最大区别是在生理环境下使用，具有生物相容性。
一些植入人体的仿生材料，应具有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性。
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自然与人工
——
天然生物及其仿生材料
第一节天然生物材料
天然生物材料（biological materials),也就是有生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、蚕丝等)、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木材，竹等）。
⏹天然生物材料棉、麻、竹、木材等，它们的基本组成其实也就是生物体的元素组成。
⏹以C 、H 、O 、N 最为丰富，含一些较丰富元素Ca 、P 、Cl 、K 等和微量元素Fe 、Cu 、Zn 、Mn 等。
⏹
这些元素以一定的相互作用结合在一起。
天然生物材料的成分
天然生物材料的特性
天然生物材料的特征
——成分简单结构复杂
天然生物材料是由为数不多的几种基本化合物构成的。
水、核苷酸（4种）、氨基酸（20种）、糖和生物矿物（4类）。
生物材料结构的复杂性主要表现在这几种基本化合
物的组装方式。
天然生物材料具有空间上的分级
结构。
分级结构指在不同尺度上，
结构的组装规则不同。
天然生物材料的特征
——界面过渡
通常从一种材料向另一种材料的变化（如从骨头到软骨）是在一个渐变的界面中发生，这有利于降低连接处的易损性。
天然生物材料的特征
——自组装与生物矿物
由无序到有序，自下而上的自组装过程广泛地存在于天然生物材料的形成过程中，并且起着重要的作用，生物矿化贯穿生物材料中无机相形成的全过程。
天然生物材料的特征
——复合特征
复合材料的优良性能由其组
分的复合来保证。
生存下来的
天然生物其结构都符合环境要
求，并达到合理优化的水平。
组成单元的层次结构在植物界
和动物界非常普遍。
植物的细
胞和动物的骨骼均可视为生物
材料的增强“纤维”。
无论从形态学还是从力学观点看，生物材料都十分复杂。
这种复杂性是基于功能适应性长期自然选择的结果。
一个器官对其功能的适应性只能由实践进化而来，而自然进化的趋势是用最少的材料来承担最大的外力。
天然生物材料的特征
——功能适应性
天然生物材料的特征
——创伤愈合性
生物材料的创伤愈合性。
生物材料的显著特点之一是具有再生功能，受到损伤破坏以后基体能自行修补创伤。
细胞能在材料上爬行，这种爬行运动是伤口愈合、人体植入材料修复等功能的基础。
谢谢各位！。