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浅议仿生设计在结构和材料功能上的新发展

分类:生物论文   更新:2016/12/2   来源:网络

  引言

  现在地球上已知的动物有150万种,其结构和功能是完美地匹配在地球上的生存和生活,具有结构和功能的统一性。我们进行的仿生设计主要是为新的结构和新的功能材料提供新的使用方法和途径,而向自然界学习是新材料获取灵感来源之一。这些年来,仿生设计受到了越来越多的关注,无论是从外形、结构、还是材料的功能上,仿生设计都有新的研究进展。

  1仿生结构与功能材料的研究

  1.1光子晶体材料

  自然界中很多矿物质或者生物在进化的过程中都拥有了非常绚丽的颜色,而这些颜色的形成并不全是因为色素,很多是由于其本身的结构。例如色彩缤纷的蛋白石就是由蛋白石的微观结构而形成的绚丽外表。科学家模仿蛋白石的微观结构,利用单分散无机胶体粒子、聚苯乙烯及其他胶体粒子的稀溶液通过自发沉淀得到人工蛋白石。蛋白石可以通过煅烧、溶剂解溶的手段得到反蛋白石,而反蛋白石有望通过电沉积技术制造导电聚合物光子晶体。对矿物或者生物中光子晶体的分子、微/纳米结构的深入研究,可以启发我们开发新一代的光学材料、储存材料。

  1.2仿生空心结构

  自然界中很多动植物都采用了多通道的超细管状结构,最为熟悉是植物的茎是由中空多通道微米管组成的,这种结构在保证了植物的强度前提下,节约了植物本身的材料,也便于运输水分和养料。而鸟类的羽毛和一些寒冷地区动物的皮毛也是多通道的结构,使其具有隔热性。根据生物的这种特性与优点,多个研究小组在积极地研制空心纳米纤维。

  1.3仿生离子通道

  细胞膜上布满了“运输通道”,用以控制蛋白质的运输,这种跨膜分为主动运输和被动运输,被动运输通道就是离子通道。北京航空航天大学根据细胞膜的这种特性,利用DNA纳米技术,将DNA分析和纳米孔道结合,开发了仿生智能响应的人工离子通道体系。这种体系可以使得离子通道与其他纳米器件的结合变得容易,并且可以组成更多复杂和多功能的复合纳米器件。这种新的思路和方法,为生物分子筛选和淡水过滤膜提供了更多的可能性。

  1.4仿生超强韧纤维材料

  在电影《蜘蛛侠》中,蜘蛛侠的蜘蛛丝韧性和弹性都是非常好的,甚至超过了钢丝。其实蜘蛛丝确实是在韧性和强度上超过钢丝,而且还具有很好的耐低温性和吸收振动的功能。蜘蛛丝是多级结构,一般是由原纤纤维束组成,而原纤由纳米级的微原纤组成,微原纤是由蛋白质构成的高分子化合物。由于蜘蛛丝的这种特性,其在国防、军事、建筑、医学上都有很大发展前景,发达国家已经积极投入该领域的研究。另外已经研制出一种纳米碳管,其拉伸强度与蜘蛛丝相同,但是它的韧性比蜘蛛丝高3倍,强过目前的天然纤维和人工合成纤维。

  1.5仿生特殊浸泡性表面

  莲花具有“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的特性。这得益于其叶子具有超疏水性质和自清洁功能。1997年德国生物学家发现这种自清洁的特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面疏水蜡质共同引起的。超疏水可以用于船体,使船体更加快速地航线;超疏水也可以使“水上漂”成为可能。目前超疏水材料在邮轮的防油、防污处理,石油管道的输送等领域,具有很大的发展前景。

  1.6仿生高强超韧层状复合材料

  自然界中有很多坚硬的生物形态。例如贝壳、牙齿、蛋壳、硅藻等,这些都是无机矿物质形成的矿化材料。其中贝壳的珍珠层具有天然无机-有机层状的独特结构,这种生物复合材料的强度极高。同样是天然的无机矿化材料,珍珠的这种特性主要是由于它独特的微观结构。假设我们用砖和泥建造珍珠层,那么砖就是碳酸钙薄片,泥就是有机介质。这种结构方式是多尺度多级次的,在具有良好韧性的同时,分散了施加于贝壳表面的压力,从而达到极高的强度。现在人们对珍珠层的机理还处于初步认识的阶段,还需要继续对这种材料进行探究。珍珠层材料在航空、军事、国防上的意义重大。

  2结语

  仿生技术自20世纪90年以来已经取得了飞速的发展,很多研究成功已经渗透入各个领域。特别是纳米技术的迅速发展使得我们在仿生研究上深入地揭示了生物材料宏观性能与微观结构之间的关系,从而为仿生技术的研究和发展提供了重要的理论依据。仿生结构的研究就是模仿自然而超越自己,为研究新的材料和新材料的功能提供了新的理

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