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1、仿生材料仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。我 们 在 现 实 生 活 中 接 触 过 许 多 动 物 与 植 物 ,它 们 都 属 于 生 物 的 范 畴 。 在 地 球 上 所 有 生 物都 是 由 理 想 的 无 机 或 有 机 材 料 通 过 组 合 而 形 成 ,例 如 能 够 跳 动 80 年 都 不 停 止 的 人 类 心脏 ； 几 乎 不 发 热 量 的 冷 血 昆 虫 。 从 材 料 化 学
2、 的 观 点 来 看 ,仅 仅 利 用 极 少 的 几 种 高 分 子材 料 所 制 造 的 从 细 胞 到 纤 维 直 至 各 种 器 官 能 够 发 挥 如 此 多 种 多 样 的 功 能 ,简 直 不 可 思议 。 动 植 物 为 了 铸 造 自 己 身 体 所 用 的 材 料 在 有 机 系 列 里 有 纤 维 素 、 木 质 素 、 甲 壳 质 、 蛋白 质 和 核 酸 等 等 ,其 构 造 非 常 复 杂 。 在 高 分 子 化 学 世 界 里 ,我 们 已 经 制 造 出 了 聚乙 烯 、 聚 氯 乙 烯 、 聚 碳 酸 脂 、 聚 酰 胺 等 人 工 材 料 ,具 有 多 种
3、多 样 的 功 能 。 但 是 ,人 类 所创 造 的 材 料 与 自 然 界 生 物 体 的 构 成 材 料 还 有 很 大 的 不 同 。 举 几 个 简 单 的 例 子 :海 鳗 的发 电 器 瞬 间 可 以 发 出 800 伏 的 电 压 ,足 以 电 死 一 头 大 象 ,但 是 它 的 发 电 器 不 是 金 属 等 导电 器 材 ,而 是 蛋 白 质 的 分 子 集 合 体 ;深 海 里 有 一 种 软 体 动 物 ,其 身 体 无 疑 也 是 由 细 胞 材 料所 构 成 ,但 是 却 可 承 受 很 高 的 海 水 压 力 而 自 由 地 生 存 着 。 这 些 例 子 说
4、明 ,许 多 生 物 体 的某 些 构 成 材 料 是 我 们 完 全 不 知 道 的 ,这 些 材 料 大 多 数 是 在 常 温 常 压 的 条 件 下 形 成 ,并 能发 挥 出 特 有 的 性 能 。 当 人 们 对 这 些 生 物 现 象 有 了 充 分 的 理 解 之 后 ,把 它 们 应 用 于 材 料科 学 技 术 方 面 ,就 形 成 了 仿 生 材 料 学 。 因 此 ,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
5、的 角 度来 考 虑 材 料 的 设 计 与 制 作 。 但 是 迄 今 为 止 该 学 科 未 开 拓 的 领 域 和 未 解 决 的 问 题 非常 之 多 ,可 以 认 为 仿 生 材 料 学 的 学 科 体 系 还 没 有 完 全 形 成 。 进 行 仿 生 材 料 的 开 发 与 研 究必 须 要 学 习 和 了 解 许 多 相 关 的 专 门 知 识 ,例 如 ,高 分 子 化 学 、 蛋 白 质 工 程 科 学 、 遗 传 学 、生 物 学 以 及 与 其 关 联 的 技 术 等 等 。 例 1.人 造 纤 维最 早 开 始 研 究 并 取 得 成 功 的 仿 生 材 料 之 一
6、就 是 模 仿 天 然 纤 维 和 人 的 皮 肤 的 接 触 感 而制 造 的 人 造 纤 维 。 对 蚕 或 者 蜘 蛛 吐 出 的 丝 ,人 类 自 古 就 有 很 大 的 兴 趣 ,这 些 丝 纯 粹 是 由蛋 白 质 构 成 ,特 别 是 蚕 丝 ,具 有 温 暖 的 触 感 和 美 丽 的 光 泽 。 二 十 世 纪 以 来 ,人 们 模 仿 蚕 吐丝 的 过 程 研 制 了 各 种 化 学 纤 维 的 纺 丝 方 法 ,此 后 又 模 仿 生 物 纤 维 的 吸 湿 性 、 透 气 性 等 服用 性 能 研 制 了 许 多 新 型 纤 维 ,例 如 ,牛 奶 蛋 白 质 与 丙
7、烯 晴 共 聚 纤 维 (东 洋 纺 ) ,商 品 名 为 稀苤 的 高 吸 湿 性 纤 维 (旭 化 成 ) 等 等 。 这 些 产 品 的 出 现 显 示 了 人 类 仿 造 生 物 纤 维 表 面 细 微形 态 与 内 部 构 造 取 得 了 成 功 。 另 外 人 们 还 对 蚕 的 产 丝 体 进 行 了 卓 有 成 效 的 研 究 (日本 农 业 生 物 资 源 研 究 所 ) ,并 且 对 蜘 蛛 丝 也 进 行 了 研 究 (日 本 岛 根 大 学 ) ,研 究 者 们 期 待着 有 朝 一 日 能 够 制 造 出 与 蚕 丝 完 全 一 样 的 人 造 丝 。 例 2.人 鱼
8、 传 说在 陆 地 上 生 活 的 动 物 有 肺 ,能 够 分 离 空 气 中 的 氧 气 ,水 里 的 鱼 有 鳃 ,能 够 分 离 溶 解 在水 中 的 氧 气 ,供 给 身 体 使 用 。 人 们 仿 造 这 种 特 性 ,制 作 了 薄 膜 材 料 ,用 于 制 造 高 浓 度 氧 气 、分 离 超 纯 水 等 ,以 达 到 节 省 能 源 以 及 高 分 离 率 的 目 的 。 目 前 人 们 正 在 研 制 具 有 动 物 肺和 鱼 鳃 那 样 功 能 的 材 料 ,如 果 研 制 成 功 的 话 ,人 类 在 水 底 世 界 的 活 动 将 发 生 一 场 新 的 革命 。 例
9、 3.能 量 重 组生 物 为 了 维 持 生 命 ,能 够 非 常 高 效 地 进 行 各 种 能 量 之 间 的 相 互 转 换 ,这 是 在 广 阔 的生 物 界 都 能 看 到 的 现 象 。 例 如 ,人 们 对 萤 火 虫 的 发 光 机 制 作 了 研 究 ,其 发 光 原 因 是 由 于化 学 能 高 效 率 地 转 化 为 光 能 。 虽 然 人 类 在 化 学 领 域 中 已 体 验 了 遗 传 信 息 的 钥 匙 - 核酸 的 魅 力 ,在 试 管 中 实 现 其 功 能 的 研 究 也 取 得 了 很 大 的 进 步 ,但 是 像 萤 火 虫 的 这 种 能 量变 换
10、方 法 目 前 人 类 还 做 不 到 。 随 着 地 球 上 现 在 所 使 用 的 能 源 逐 渐 枯 竭 ,人 类 寻 求 新 能源 的 任 务 已 迫 在 眉 睫 ,如 果 能 够 找 到 象 某 些 生 物 那 样 能 够 高 效 率 地 进 行 能 量 变 换 或 者 能量 重 组 的 材 料 与 方 法 ,将 为 人 类 的 未 来 带 来 希 望 和 光 明 。 例 4.人 造 骨卵 是 鸟 类 和 爬 虫 类 生 育 在 体 外 的 动 物 的 最 大 细 胞 。 它 的 壳 ,是 石 灰 质 构 成 的 ,内 部有 卵 白 和 卵 黄 。 美 国 学 者 Finks 对 此
11、 发 表 了 非 常 有 趣 的 假 说 ,认 为 卵 的 结 构 无 论 从 力学 或 者 工 学 的 观 点 来 思 考 ,都 有 许 多 值 得 学 习 的 地 方 ,人 类 现 在 的 包 装 技 术 与 之 相 比 相形 见 绌 。 卵 壳 的 形 成 过 程 与 牙 齿 和 骨 头 的 发 育 过 程 相 同 ,被 称 之 为 钙 化 过 程 ,与 无 机 和有 机 的 界 面 化 学 相 关 ,据 有 关 报 道 ,人 们 正 在 研 究 一 种 人 造 骨 。 相 信 在 不 远 的 将 来 ,通过 对 有 机 和 无 机 复 合 材 料 形 成 技 术 的 研 究 ,不 仅
12、在 包 装 技 术 方 面 人 们 会 学 习 和 采 用 生 物卵 壳 的 形 成 方 式 ,同 时 在 医 学 科 学 中 也 会 开 创 新 的 领 域 。 例 5.超 能 吸 水植 物 也 为 我 们 提 供 了 许 多 有 趣 的 现 象 ,例 如 我 们 常 见 的 西 瓜 是 一 种 含 水 量 极 高 的 水果 ,在 它 的 启 发 下 ,人 们 研 制 了 一 种 与 西 瓜 纤 维 素 构 造 相 似 的 超 吸 水 性 树 脂 ,它 是 用 特 殊设 计 的 高 分 子 材 料 制 造 的 ,能 够 吸 收 超 越 自 身 重 量 数 百 倍 到 数 千 倍 的 水 份
13、,现 在 已 用 于废 油 的 回 收 ,既 经 济 又 高 效 。 这 种 材 料 如 果 进 一 步 得 到 完 善 的 话 ,将 来 液 体 的 包 装 和 输送 就 可 能 用 一 种 全 新 的 技 术 来 代 替 。 比 如 ,将 来 的 饮 料 就 不 再 是 用 现 在 的 杯 子 来 装 ,而是 只 要 用 一 片 薄 膜 即 可 。 例 6.成 长 型 复 合 材 料植 物 在 复 合 材 料 力 学 性 能 方 面 ,也 有 许 多 独 特 的 魅 力 。 例 如 ,从 竹 子 的 断 面 来 看 ,一 种 称 之 为 纤 维 束 的 组 织 密 布 在 竹 子 的 表
14、皮 ,竹 子 的 内 部 却 很 稀 少 ,这 样 的 结 构 形 成 了一 种 高 强 度 的 复 合 材 料 。 但 是 当 竹 子 还 是 竹 笋 的 时 候 ,这 种 纤 维 束 在 竹 笋 的 断 面 上 是均 匀 分 布 的 ,随 着 竹 笋 的 生 长 ,纤 维 束 逐 渐 向 外 侧 移 动 ,最 终 形 成 最 佳 构 造 。 再 例 如 ,树的 年 轮 是 由 在 冬 天 和 夏 天 的 生 长 不 同 而 形 成 。 这 些 能 够 方 向 性 生 长 ,形 成 高 强 度 复 合材 料 的 过 程 ,使 人 们 受 到 了 启 示 ,最 近 ,高 分 子 世 界 已 出
15、 现 了 研 制 这 种 方 向 型 复 合 材 料 的动 向 ,当 然 这 并 不 是 件 易 事 。 但 这 种 成 长 型 复 合 材 料 ,也 将 是 复 合 材 料 未 来 的 研 究 方 向之 一 。 例 7.弹 性 膜 材 料最 后 再 举 一 例 ,用 手 触 摸 含 羞 草 的 叶 片 ,它 就 会 像 动 物 那 样 收 缩 。 在 这 一 种 启 发 下 ,日本 奥 林 巴 斯 公 司 的 植 田 康 弘 研 制 了 一 种 可 以 伸 到 小 肠 里 的 内 视 镜 ,他 在 内 视 镜 的 筒 状部 分 使 用 了 一 种 与 含 羞 草 叶 片 表 面 结 构 相 似 的 弹 性 膜 材 料 ,它 在 肠 道 流 体 的 压 力 下 ,会沿 着 轴 向 自 动 伸 长 或 弯 曲 ,从 而 使 内 视 镜 的 筒 状 部 分 与 肠 道 保 持 同 一 形 状 。
