發布時間：2022-04-16所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：生物與環境長期相互作用下形成了優異的功能與完美的結構，新型材料的發展對于推動社會進步的重要性不言而喻。仿生科學作為新型結構功能材料的研發新思路得到突破性發展。從一些天然材料的復合結構和優異功能出發，介紹了仿生材料的特點及其研究領域的一些成果。
摘 要：生物與環境長期相互作用下形成了優異的功能與完美的結構，新型材料的發展對于推動社會進步的重要性不言而喻。仿生科學作為新型結構功能材料的研發新思路得到突破性發展。從一些天然材料的復合結構和優異功能出發，介紹了仿生材料的特點及其研究領域的一些成果。天然復合材料優良的力學性能，與材料的微觀結構有顯著直接關系。以天然材料作為設計思維的來源制作出高性能仿生材料，主要包括結構仿生材料與功能仿生材料，已經被應用于社會生產的多個領域。隨著科技發展，計算機模擬作為一種高效、經濟環保的設計方式，對于仿生材料發展有極大地推進作用。
關鍵詞：材料仿生;計算模擬;結構功能
0 引 言
新型材料的研發一直是活躍的研究領域。自然界是人類利用材料、設計材料及發明創造的源泉，二十世紀六七十年代，仿生學的概念被正式提出，當時仿生材料的研究處于起步階段，研發的成果稀少，進展緩慢。如今仿生材料學已經發展成為--I'1覆蓋信息科學、材料科學、結構力學、工程設計等的交叉學科，研究的領域還在不斷擴大，涉及的學科也會越來越多。功能結構良好的天然材料，具有不同尺度的分級結構，根據XRD衍射及SEM圖樣發現多數天然材料的結構特點是成分簡單，結構復雜，卻具有特殊的性能。因此，日益受到科學家的重視，希望根據這一特點，設計并制備出高性能的功能結構復合材料。
1 研究背景
生物經過長時間的動力學自組裝過程，各個組分之間按照最佳的結構和組合方式組裝，最終形成特有的復合結構，來適應復雜多變的環境要求。某種意義上來說自組裝產物的缺陷程度最低，結構和功能達到了理想狀態[1]。科學家已經從納米層面系統的分析與研究生物體外形、結構、力學功能，可以作為工程設計的依據，為仿生設計出高性能材料提供理論支撐。自從20世紀末開始，國內外投入很大的人力物力從事仿生工作，并且取得了許多重要成果：如仿生自然葉片蒸騰作用的熱效應‘2|、仿生離子通道[3]、仿生分子及細胞傳感器[4|、仿生耦合聚晶金剛石鉆頭嘲、仿生動物消化系統的反應器‘e3等。如今，已經有許多仿生結構材料應用于醫學修復、傳感器及量子器件等多個領域。
2 研究現狀
2.1力學功能仿生
天然纖維是性能優良的材料，也是人們經常接觸的天然材料。蛛絲作為纖維材料，它的結構和功能較早的被人們研究并仿生成功。20世紀末，美國生物學家安妮穆爾發現“黑寡婦”的蜘蛛絲，而且蛛絲有很高的斷裂強度。后來，加拿大科學家通過山羊產出的蛛絲蛋白制作出可降解的“生物鋼”，其強度是鋼的十倍，用蛛絲纖維制作的布料，其強度是防彈衣的十幾倍[7]。正是纖維的這些優異特點，在當時吸引了大量的科學家不斷地對其進行研究。
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通過對天然纖維形態結構的研究發現，纖維素為線型高聚物，它的大分子之間不僅有范德華力的相互作用，還有使分子平型排列、緊密結合的氫鍵的作用。纖維素分子之間排列整齊緊密程度與纖維的強度呈線性關系。從表1可以看出這幾種天然纖維雖然密度比較小，但是都具有較高的比強度和拉伸模量[8]。如今，人工制作的E一玻璃纖維比強度達到800～1 400 MPa·cm3/g，拉伸強度則達到2 000 ～3 500 MPa。
2.2力學結構仿生
天然復合結構的仿生設計是研究熱點之一，復合結構材料的優異性能往往超越單一結構材料。其中貝殼的珍珠層是由片狀文石交錯排列成層，單個文石之間用有機質填充(圖1)。貝殼的斷裂方向垂直于片狀文石層時，有機體起到了緩沖減壓的作用，增大了文石層間的相互作用力，拔出文石晶片所做的功得到提高，導致部分沿文石片邊緣斷裂變為穿過文石片斷裂，并改變應力的單一方向，產生多方向的轉變，應力的不斷偏轉改變使裂紋路徑增加，阻力相應增大[9]。因此，貝殼的這一復合結構使其具有了優異的力學性能，貝殼的韌性是文石的1 000倍，硬度是文石的2倍，是普通碳酸鈣材料的3 000 倍[10]。StudartEn-]z]研究小組將柔性生物高聚糖與具有高強度的陶瓷板相互交錯成層得到優異力學性能的仿貝殼狀復合材料。人們根據這一交錯結構特點，用SiC作單晶片，用石墨作基體，燒結成類似貝殼結構的復合材料，經實驗測得，其斷裂功提高了2個數量級。根據這一結構制作出的芳倫纖維增強樹脂，其斷裂功比單相提高了80倍[13|。
2.3仿生多孔材料
多孔材料具有比強度高、比面積高、密度小等特點，可以通過水熱合成、壓縮燒結等方法制作而成。天然多孔材料孔道結構的排列及規則程度差異很大。海膽刺是一種多孔材料(圖2)，孔徑大小為30～ 50肚m，孔道為無序結構。生物的這種孔道結構與物質的傳輸有關聯，海膽的這種三維多孔結構能減輕自身的重量，并且具有優良的力學功能。海膽是生存4.5億年的古老生物，分布十分廣泛，從海岸邊甚至5 000 m的深海，能抗擊巨大海水的能量[1 4|。實驗表明，多孔材料具有分離、傳感、緩沖減震、隔熱、吸收能量的優異性能，用陶瓷制作成的多孔人工骨還具促進組織生長的功能。如今，一些多孔金屬及陶瓷材料相繼被研發出來，并且不斷進行結構與功能的研究改進，以求合成更高性能的復合材料。其中用鈦及其合金作為原材料仿生制作的人工骨骼、牙齒等在醫學領域已經廣泛應用，用無機非金屬材料制作的多孑L玻璃及泡沫塑料在航天航空方面得到廣泛應用。
2.4仿生太陽能電池
眾所周知，植物的葉綠體能通過光合作用將太陽能轉化為化學能。美國普渡大學科學家利用納米碳管和DNA等材料，仿生研制出具有自我修復能力的太陽能電池，這種電池中被破壞的染料可以不斷得到更新，具有自我修復的能力，從而使用的年限大幅提高[1引。我國科學家根據葉綠體的功能研制出新型的染料敏化太陽能電池，能直接將11%的太陽能轉化成電能，成本較低，使用壽命較長D63。而且隨著環保意識的增強，有很強的市場競爭力，基于這些優點，今后將有更多的仿生太陽能電池被研發。
2.5仿生傳感器
仿生傳感器的研發一直是研究熱點，研究的范圍越來越廣泛，有視覺傳感器、嗅覺傳感器、觸覺傳感器[173等。我國科學家用納米材料制作出仿生電子皮膚[18|，原理是將靈敏度高的導電納米材料與微納米結構柔性基底有效結合，導電材料在受到微小壓力時能發生電信號的變化，把壓力轉換成可以識別的信號。這種仿生觸覺傳感的電子皮膚，能準確感知并獲取微小壓力變化的人體電流信號，對人體的生理狀態進行及時檢測，之后進行“邏輯思考”并相應調節控制。
3計算機仿生模擬
計算機模擬、高分辨率x射線成像技術[1 9|、云計算、3D打印等技術的發展為仿生材料科學的研究提供技術保障。先進的科學儀器可以從納米級清晰觀察研究材料微觀結構，分析成分組成，測試相關性能。利用計算機進行有機質的組裝、結構動力學等仿生模擬分析。Bandyopadhyay等[zo]對于脂類分子與DNA之間的作用關系，采用了分子動力學方法對其模擬研究;Frank等[21]用分子動力學方法對枝狀配糖物聚集體進行了模擬，結果顯示末端糖單元類型及橋聯基團會對聚集體構象有很大影響;劉澤軍等[22]成功對生物體表面非光滑形態進行了計算機模擬，為制作光滑形態試樣提供了數學模型;谷云慶等[233利用計算機模擬鯊魚腮噴射流的減阻作用，得出仿鯊魚腮部射流可以增厚出口下游的黏性底層，降低邊界層流體的速度梯度，有效減小壁面剪應力。通過計算機模擬能清晰描述新型材料結構與自組裝的機理，對材料進行定量分析并能從理論上對材料結構進行調整，觀察材料結構功能的變化趨勢，通過調整參數，拓撲結構優化，增強材料的性能，減少了實際模型研究的重復性，縮短了材料研發周期，提高了材料的設計制作效率。隨著計算機的發展，模擬的范圍不斷擴大，從納米級的凝聚態物質到宏觀材料都可以進行模擬，為材料的發展提供了一條嶄新的路徑，拓展我們對材料的認識領域。
4結論與展望
材料作為當前新技術革命的支柱產業，受到世界各個國家的重視，仿生結構及其功能材料是材料科學的重要組成部分，尤其是仿生高性能材料研發極大地促進材料科學的發展。由最初的普通結構設計向微觀化方向發展，由低維度向高維度發展，利用先進的科學設備進行模擬、構造、重組新型功能、環保、智能一體化材料將是當前及以后的研究重點，并將對于醫學、軍事、工業設計等領域的快速發展有積極推進作用。——論文作者：郭帥帥，封文江，朱影，何江海，徐雅輝，亓雨生，楊奧新
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