仿生材料指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開發(fā)的材料。
   

仿生材料學(xué) - 仿生材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容

   


我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中接觸過許多動(dòng)物與植物,它們都屬于生物的范疇。在地球上所有生物都是由理想的無機(jī)或有機(jī)材料通過組合而形成,例如能夠跳動(dòng)80 年都不停止的人類心臟；幾乎不發(fā)熱量的冷血昆蟲。從材料化學(xué)的觀點(diǎn)來看,僅僅利用極少的幾種高分子材料所制造的從細(xì)胞到纖維直至各種器官能夠發(fā)揮如此多種多樣的功能,簡(jiǎn)直不可思議。動(dòng)植物為了鑄造自己身體所用的材料在有機(jī)系列里有纖維素、木質(zhì)素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等等,其構(gòu)造非常復(fù)雜。
    在高分子化學(xué)世界里,我們已經(jīng)制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、、聚酰胺等人工材料,具有多種多樣的功能。但是,人類所創(chuàng)造的材料與自然界生物體的構(gòu)成材料還有很大的不同。舉幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子:海鰻的發(fā)電器瞬間可以發(fā)出800 伏的電壓,足以電死一頭大象,但是它的發(fā)電器不是金屬等導(dǎo)電器材,而是蛋白質(zhì)的分子集合體;深海里有一種軟體動(dòng)物,其身體無疑也是由細(xì)胞材料所構(gòu)成,但是卻可承受很高的海水壓力而自由地生存著。這些例子說明,許多生物體的某些構(gòu)成材料是我們完全不知道的,這些材料大多數(shù)是在常溫常壓的條件下形成,并能發(fā)揮出特有的性能。當(dāng)人們對(duì)這些生物現(xiàn)象有了充分的理解之后,把它們應(yīng)用于材料科學(xué)技術(shù)方面,就形成了仿生材料學(xué)。因此,仿生材料學(xué)的研究?jī)?nèi)容就是以闡明生物體的材料構(gòu)造與形成過程為目標(biāo),用生物材料的觀點(diǎn)來思考人工材料,從生物功能的角度來考慮材料的設(shè)計(jì)與制作。
    但是迄今為止該學(xué)科未開拓的領(lǐng)域和未解決的問題非常之多,可以認(rèn)為仿生材料學(xué)的學(xué)科體系還沒有完全形成。進(jìn)行仿生材料的開發(fā)與研究必須要學(xué)習(xí)和了解許多相關(guān)的專門知識(shí),例如,高分子化學(xué)、蛋白質(zhì)工程科學(xué)、遺傳學(xué)、生物學(xué)以及與其關(guān)聯(lián)的技術(shù)等等。
   

仿生材料學(xué) - 仿生材料研究的設(shè)想及其應(yīng)用

   
例1 最早開始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纖維和人的皮膚的接觸感而制造的人造纖維。對(duì)蠶或者蜘蛛吐出的絲,人類自古就有很大的興趣,這些絲純粹是由蛋白質(zhì)構(gòu)成,特別是蠶絲,具有溫暖的觸感和美麗的光澤。二十世紀(jì)以來,人們模仿蠶吐絲的過程研制了各種化學(xué)纖維的紡絲方法,此后又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研制了許多新型纖維,例如,牛奶蛋白質(zhì)與丙烯晴共聚纖維(東洋紡) ,商品名為稀苤的高吸濕性纖維(旭化成) 等等。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)顯示了人類仿造生物纖維表面細(xì)微形態(tài)與內(nèi)部構(gòu)造取得了成功 。另外人們還對(duì)蠶的產(chǎn)絲體進(jìn)行了卓有成效的研究(日本農(nóng)業(yè)生物資源研究所) ,并且對(duì)蜘蛛絲也進(jìn)行了研究(日本島根大學(xué)) ,研究者們期待著有朝一日能夠制造出與蠶絲完全一樣的人造絲。
    例2 在陸地上生活的動(dòng)物有肺,能夠分離空氣中的氧氣,水里的魚有鰓,能夠分離溶解在水中的氧氣,供給身體使用。人們仿造這種特性,制作了薄膜材料,用于制造高濃度氧氣、分離超純水等,以達(dá)到節(jié)省能源以及高分離率的目的 。目前人們正在研制具有動(dòng)物肺和魚鰓那樣功能的材料,如果研制成功的話,人類在水底世界的活動(dòng)將發(fā)生一場(chǎng)新的革命。
    例3 生物為了維持生命,能夠非常高效地進(jìn)行各種能量之間的相互轉(zhuǎn)換,這是在廣闊的生物界都能看到的現(xiàn)象。例如,人們對(duì)螢火蟲的發(fā)光機(jī)制作了研究,其發(fā)光原因是由于化學(xué)能高效率地轉(zhuǎn)化為光能。雖然人類在化學(xué)領(lǐng)域中已體驗(yàn)了遺傳信息的鑰匙- 核酸的魅力,在試管中實(shí)現(xiàn)其功能的研究也取得了很大的進(jìn)步,但是像螢火蟲的這種能量變換方法目前人類還做不到。隨著地球上現(xiàn)在所使用的能源逐漸枯竭,人類尋求新能源的任務(wù)已迫在眉睫,如果能夠找到象某些生物那樣能夠高效率地進(jìn)行能量變換或者能量重組的材料與方法,將為人類的未來帶來希望和光明。
    例4 卵是鳥類和爬蟲類生育在體外的動(dòng)物的最大細(xì)胞。它的殼,是石灰質(zhì)構(gòu)成的,內(nèi)部有卵白和卵黃。美國(guó)學(xué)者Finks 對(duì)此發(fā)表了非常有趣的假說,認(rèn)為卵的結(jié)構(gòu)無論從力學(xué)或者工學(xué)的觀點(diǎn)來思考,都有許多值得學(xué)習(xí)的地方,人類現(xiàn)在的包裝技術(shù)與之相比相形見拙。卵殼的形成過程與牙齒和骨頭的發(fā)育過程相同,被稱之為鈣化過程,與無機(jī)和有機(jī)的界面化學(xué)相關(guān),據(jù)有關(guān)報(bào)道,人們正在研究一種人造骨。相信在不遠(yuǎn)的將來,通過對(duì)有機(jī)和無機(jī)復(fù)合材料形成技術(shù)的研究,不僅在包裝技術(shù)方面人們會(huì)學(xué)習(xí)和采用生物卵殼的形成方式,同時(shí)在醫(yī)學(xué)科學(xué)中也會(huì)開創(chuàng)新的領(lǐng)域。
    例5 植物也為我們提供了許多有趣的現(xiàn)象,例如我們常見的西瓜是一種含水量極高的水果,在它的啟發(fā)下,人們研制了一種與西瓜纖維素構(gòu)造相似的超吸水性樹脂,它是用特殊設(shè)計(jì)的高分子材料制造的,能夠吸收超越自身重量數(shù)百倍到數(shù)千倍的水份,現(xiàn)在已用于廢油的回收,既經(jīng)濟(jì)又高效。這種材料如果進(jìn)一步得到完善的話,將來液體的包裝和輸送就可能用一種全新的技術(shù)來代替。比如,將來的飲料就不再是用現(xiàn)在的杯子來裝,而是只要用一片薄膜即可。
    例6 植物在復(fù)合材料力學(xué)性能方面,也有許多獨(dú)特的魅力。例如,從竹子的斷面來看,一種稱之為纖維束的組織密布在竹子的表皮,竹子的內(nèi)部卻很稀少,這樣的結(jié)構(gòu)形成了一種高強(qiáng)度的復(fù)合材料。但是當(dāng)竹子還是竹筍的時(shí)候,這種纖維束在竹筍的斷面上是均勻分布的,隨著竹筍的生長(zhǎng),纖維束逐漸向外側(cè)移動(dòng),最終形成最佳構(gòu)造。再例如,樹的年輪是由在冬天和夏天的生長(zhǎng)不同而形成。這些能夠方向性生長(zhǎng),形成高強(qiáng)度復(fù)合材料的過程,使人們受到了啟示,最近,高分子世界已出現(xiàn)了研制這種方向型復(fù)合材料的動(dòng)向,當(dāng)然這并不是件易事。但這種成長(zhǎng)型復(fù)合材料,也將是復(fù)合材料未來的研究方向之一。
    例7 最后再舉一例,用手觸摸含羞草的葉片,它就會(huì)像動(dòng)物那樣收縮。在這一種啟發(fā)下,日本奧林巴斯公司的植田康弘研制了一種可以伸到小腸里的內(nèi)視鏡,他在內(nèi)視鏡的筒狀部分使用了一種與含羞草葉片表面結(jié)構(gòu)相似的彈性膜材料,它在腸道流體的壓力下,會(huì)沿著軸向自動(dòng)伸長(zhǎng)或彎曲,從而使內(nèi)視鏡的筒狀部分與腸道保持同一形狀。

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本文編號(hào)：31402