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仿生設(shè)計在結(jié)構(gòu)和材料功能上的新發(fā)展論文
0、引言
現(xiàn)在地球上已知的動物有 150 萬種，其結(jié)構(gòu)和功能是完美地匹配在地球上的生存和生活，具有結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一性。我們進(jìn)行的仿生設(shè)計主要是為新的結(jié)構(gòu)和新的功能材料提供新的使用方法和途徑，而向自然界學(xué)習(xí)是新材料獲取靈感來源之一。這些年來，仿生設(shè)計受到了越來越多的關(guān)注，無論是從外形、結(jié)構(gòu)、還是材料的功能上，仿生設(shè)計都有新的研究進(jìn)展。
1、仿生結(jié)構(gòu)與功能材料的研究
1. 1 光子晶體材料
自然界中很多礦物質(zhì)或者生物在進(jìn)化的過程中都擁有了非常絢麗的顏色，而這些顏色的形成并不全是因為色素，很多是由于其本身的結(jié)構(gòu)。例如色彩繽紛的蛋白石就是由蛋白石的微觀結(jié)構(gòu)而形成的絢麗外表。科學(xué)家模仿蛋白石的微觀結(jié)構(gòu)，利用單分散無機(jī)膠體粒子、聚苯乙烯及其他膠體粒子的稀溶液通過自發(fā)沉淀得到人工蛋白石。蛋白石可以通過煅燒、溶劑解溶的手段得到反蛋白石，而反蛋白石有望通過電沉積技術(shù)制造導(dǎo)電聚合物光子晶體。對礦物或者生物中光子晶體的分子、微/納米結(jié)構(gòu)的深入研究，可以啟發(fā)我們開發(fā)新一代的光學(xué)材料、儲存材料。
1. 2 仿生空心結(jié)構(gòu)
自然界中很多動植物都采用了多通道的超細(xì)管狀結(jié)構(gòu)，最為熟悉是植物的莖是由中空多通道微米管組成的，這種結(jié)構(gòu)在保證了植物的強度前提下，節(jié)約了植物本身的材料，也便于運輸水分和養(yǎng)料。而鳥類的羽毛和一些寒冷地區(qū)動物的皮毛也是多通道的結(jié)構(gòu)，使其具有隔熱性。根據(jù)生物的這種特性與優(yōu)點，多個研究小組在積極地研制空心納米纖維。
1. 3 仿生離子通道
細(xì)胞膜上布滿了“運輸通道”,用以控制蛋白質(zhì)的運輸，這種跨膜分為主動運輸和被動運輸，被動運輸通道就是離子通道。北京航空航天大學(xué)根據(jù)細(xì)胞膜的這種特性，利用 DNA 納米技術(shù)，將 DNA 分析和納米孔道結(jié)合，開發(fā)了仿生智能響應(yīng)的人工離子通道體系。這種體系可以使得離子通道與其他納米器件的結(jié)合變得容易，并且可以組成更多復(fù)雜和多功能的復(fù)合納米器件。這種新的思路和方法，為生物分子篩選和淡水過濾膜提供了更多的可能性。
1. 4 仿生超強韌纖維材料
在電影《蜘蛛俠》中，蜘蛛俠的蜘蛛絲韌性和彈性都是非常好的，甚至超過了鋼絲。其實蜘蛛絲確實是在韌性和強度上超過鋼絲，而且還具有很好的耐低溫性和吸收振動的功能。蜘蛛絲是多級結(jié)構(gòu)，一般是由原纖纖維束組成，而原纖由納米級的微原纖組成，微原纖是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的高分子化合物。由于蜘蛛絲的這種特性，其在國防、軍事、建筑、醫(yī)學(xué)上都有很大發(fā)展前景，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)積極投入該領(lǐng)域的研究。另外已經(jīng)研制出一種納米碳管，其拉伸強度與蜘蛛絲相同，但是它的韌性比蜘蛛絲高 3 倍，強過目前的天然纖維和人工合成纖維。
1. 5 仿生特殊浸泡性表面
蓮花具有“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”的特性。這得益于其葉子具有超疏水性質(zhì)和自清潔功能。1997 年德國生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種自清潔的特性是由粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的乳突以及表面疏水蠟質(zhì)共同引起的。超疏水可以用于船體，使船體更加快速地航線； 超疏水也可以使“水上漂”成為可能。目前超疏水材料在郵輪的防油、防污處理，石油管道的輸送等領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展前景。
1. 6 仿生高強超韌層狀復(fù)合材料
自然界中有很多堅硬的生物形態(tài)。例如貝殼、牙齒、蛋殼、硅藻等，這些都是無機(jī)礦物質(zhì)形成的礦化材料。其中貝殼的珍珠層具有天然無機(jī)-有機(jī)層狀的獨特結(jié)構(gòu)，這種生物復(fù)合材料的強度極高。同樣是天然的無機(jī)礦化材料，珍珠的這種特性主要是由于它獨特的微觀結(jié)構(gòu)。假設(shè)我們用磚和泥建造珍珠層，那么磚就是碳酸鈣薄片，泥就是有機(jī)介質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)方式是多尺度多級次的，在具有良好韌性的同時，分散了施加于貝殼表面的壓力，從而達(dá)到極高的強度。現(xiàn)在人們對珍珠層的機(jī)理還處于初步認(rèn)識的階段，還需要繼續(xù)對這種材料進(jìn)行探究。珍珠層材料在航空、軍事、國防上的意義重大。
2、結(jié)語
仿生技術(shù)自 20 世紀(jì) 90 年以來已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，很多研究成功已經(jīng)滲透入各個領(lǐng)域。特別是納米技術(shù)的迅速發(fā)展使得我們在仿生研究上深入地揭示了生物材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而為仿生技術(shù)的研究和發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)。仿生結(jié)構(gòu)的研究就是模仿自然而超越自己，為研究新的材料和新材料的功能提供了新的理念和新的途徑。
仿生結(jié)構(gòu)與功能材料的研究對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的支撐和推動作用，在航空航天、國防軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有不可估量的潛力。
參考文獻(xiàn)：
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