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摘 要： 摘 要：生物與環(huán)境長期相互作用下形成了優(yōu)異的功能與完美的結(jié)構(gòu)，新型材料的發(fā)展對于推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要性不言而喻。仿生科學(xué)作為新型結(jié)構(gòu)功能材料的研發(fā)新思路得到突破性發(fā)展。從一些天然材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和優(yōu)異功能出發(fā)，介紹了仿生材料的特點(diǎn)及其研究領(lǐng)域的一些成果。
摘 要：生物與環(huán)境長期相互作用下形成了優(yōu)異的功能與完美的結(jié)構(gòu)，新型材料的發(fā)展對于推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要性不言而喻。仿生科學(xué)作為新型結(jié)構(gòu)功能材料的研發(fā)新思路得到突破性發(fā)展。從一些天然材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和優(yōu)異功能出發(fā)，介紹了仿生材料的特點(diǎn)及其研究領(lǐng)域的一些成果。天然復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能，與材料的微觀結(jié)構(gòu)有顯著直接關(guān)系。以天然材料作為設(shè)計(jì)思維的來源制作出高性能仿生材料，主要包括結(jié)構(gòu)仿生材料與功能仿生材料，已經(jīng)被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域。隨著科技發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬作為一種高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的設(shè)計(jì)方式，對于仿生材料發(fā)展有極大地推進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞：材料仿生;計(jì)算模擬;結(jié)構(gòu)功能
0 引 言
新型材料的研發(fā)一直是活躍的研究領(lǐng)域。自然界是人類利用材料、設(shè)計(jì)材料及發(fā)明創(chuàng)造的源泉，二十世紀(jì)六七十年代，仿生學(xué)的概念被正式提出，當(dāng)時(shí)仿生材料的研究處于起步階段，研發(fā)的成果稀少，進(jìn)展緩慢。如今仿生材料學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為--I'1覆蓋信息科學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程設(shè)計(jì)等的交叉學(xué)科，研究的領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大，涉及的學(xué)科也會(huì)越來越多。功能結(jié)構(gòu)良好的天然材料，具有不同尺度的分級結(jié)構(gòu)，根據(jù)XRD衍射及SEM圖樣發(fā)現(xiàn)多數(shù)天然材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是成分簡單，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，卻具有特殊的性能。因此，日益受到科學(xué)家的重視，希望根據(jù)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制備出高性能的功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
1 研究背景
生物經(jīng)過長時(shí)間的動(dòng)力學(xué)自組裝過程，各個(gè)組分之間按照最佳的結(jié)構(gòu)和組合方式組裝，最終形成特有的復(fù)合結(jié)構(gòu)，來適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境要求。某種意義上來說自組裝產(chǎn)物的缺陷程度最低，結(jié)構(gòu)和功能達(dá)到了理想狀態(tài)[1]。科學(xué)家已經(jīng)從納米層面系統(tǒng)的分析與研究生物體外形、結(jié)構(gòu)、力學(xué)功能，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)，為仿生設(shè)計(jì)出高性能材料提供理論支撐。自從20世紀(jì)末開始，國內(nèi)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(yīng)‘2|、仿生離子通道[3]、仿生分子及細(xì)胞傳感器[4|、仿生耦合聚晶金剛石鉆頭嘲、仿生動(dòng)物消化系統(tǒng)的反應(yīng)器‘e3等。如今，已經(jīng)有許多仿生結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)修復(fù)、傳感器及量子器件等多個(gè)領(lǐng)域。
2 研究現(xiàn)狀
2.1力學(xué)功能仿生
天然纖維是性能優(yōu)良的材料，也是人們經(jīng)常接觸的天然材料。蛛絲作為纖維材料，它的結(jié)構(gòu)和功能較早的被人們研究并仿生成功。20世紀(jì)末，美國生物學(xué)家安妮穆爾發(fā)現(xiàn)“黑寡婦”的蜘蛛絲，而且蛛絲有很高的斷裂強(qiáng)度。后來，加拿大科學(xué)家通過山羊產(chǎn)出的蛛絲蛋白制作出可降解的“生物鋼”，其強(qiáng)度是鋼的十倍，用蛛絲纖維制作的布料，其強(qiáng)度是防彈衣的十幾倍[7]。正是纖維的這些優(yōu)異特點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)吸引了大量的科學(xué)家不斷地對其進(jìn)行研究。
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通過對天然纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(qiáng)度呈線性關(guān)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(qiáng)度和拉伸模量[8]。如今，人工制作的E一玻璃纖維比強(qiáng)度達(dá)到800～1 400 MPa·cm3/g，拉伸強(qiáng)度則達(dá)到2 000 ～3 500 MPa。
2.2力學(xué)結(jié)構(gòu)仿生
天然復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)是研究熱點(diǎn)之一，復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)異性能往往超越單一結(jié)構(gòu)材料。其中貝殼的珍珠層是由片狀文石交錯(cuò)排列成層，單個(gè)文石之間用有機(jī)質(zhì)填充(圖1)。貝殼的斷裂方向垂直于片狀文石層時(shí)，有機(jī)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(dǎo)致部分沿文石片邊緣斷裂變?yōu)榇┻^文石片斷裂，并改變應(yīng)力的單一方向，產(chǎn)生多方向的轉(zhuǎn)變，應(yīng)力的不斷偏轉(zhuǎn)改變使裂紋路徑增加，阻力相應(yīng)增大[9]。因此，貝殼的這一復(fù)合結(jié)構(gòu)使其具有了優(yōu)異的力學(xué)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(qiáng)度的陶瓷板相互交錯(cuò)成層得到優(yōu)異力學(xué)性能的仿貝殼狀復(fù)合材料。人們根據(jù)這一交錯(cuò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用SiC作單晶片，用石墨作基體，燒結(jié)成類似貝殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得，其斷裂功提高了2個(gè)數(shù)量級。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)制作出的芳倫纖維增強(qiáng)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(qiáng)度高、比面積高、密度小等特點(diǎn)，可以通過水熱合成、壓縮燒結(jié)等方法制作而成。天然多孔材料孔道結(jié)構(gòu)的排列及規(guī)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(jié)構(gòu)。生物的這種孔道結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的傳輸有關(guān)聯(lián)，海膽的這種三維多孔結(jié)構(gòu)能減輕自身的重量，并且具有優(yōu)良的力學(xué)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(shí)驗(yàn)表明，多孔材料具有分離、傳感、緩沖減震、隔熱、吸收能量的優(yōu)異性能，用陶瓷制作成的多孔人工骨還具促進(jìn)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(fā)出來，并且不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能的研究改進(jìn)，以求合成更高性能的復(fù)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(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，用無機(jī)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(yīng)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(zhuǎn)化為化學(xué)能。美國普渡大學(xué)科學(xué)家利用納米碳管和DNA等材料，仿生研制出具有自我修復(fù)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(fù)的能力，從而使用的年限大幅提高[1引。我國科學(xué)家根據(jù)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(zhuǎn)化成電能，成本較低，使用壽命較長D63。而且隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，有很強(qiáng)的市場競爭力，基于這些優(yōu)點(diǎn)，今后將有更多的仿生太陽能電池被研發(fā)。
2.5仿生傳感器
仿生傳感器的研發(fā)一直是研究熱點(diǎn)，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(xué)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(dǎo)電納米材料與微納米結(jié)構(gòu)柔性基底有效結(jié)合，導(dǎo)電材料在受到微小壓力時(shí)能發(fā)生電信號的變化，把壓力轉(zhuǎn)換成可以識(shí)別的信號。這種仿生觸覺傳感的電子皮膚，能準(zhǔn)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(tài)進(jìn)行及時(shí)檢測，之后進(jìn)行“邏輯思考”并相應(yīng)調(diào)節(jié)控制。
3計(jì)算機(jī)仿生模擬
計(jì)算機(jī)模擬、高分辨率x射線成像技術(shù)[1 9|、云計(jì)算、3D打印等技術(shù)的發(fā)展為仿生材料科學(xué)的研究提供技術(shù)保障。先進(jìn)的科學(xué)儀器可以從納米級清晰觀察研究材料微觀結(jié)構(gòu)，分析成分組成，測試相關(guān)性能。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)的組裝、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等仿生模擬分析。Bandyopadhyay等[zo]對于脂類分子與DNA之間的作用關(guān)系，采用了分子動(dòng)力學(xué)方法對其模擬研究;Frank等[21]用分子動(dòng)力學(xué)方法對枝狀配糖物聚集體進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示末端糖單元類型及橋聯(lián)基團(tuán)會(huì)對聚集體構(gòu)象有很大影響;劉澤軍等[22]成功對生物體表面非光滑形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，為制作光滑形態(tài)試樣提供了數(shù)學(xué)模型;谷云慶等[233利用計(jì)算機(jī)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(yīng)力。通過計(jì)算機(jī)模擬能清晰描述新型材料結(jié)構(gòu)與自組裝的機(jī)理，對材料進(jìn)行定量分析并能從理論上對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，觀察材料結(jié)構(gòu)功能的變化趨勢，通過調(diào)整參數(shù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，增強(qiáng)材料的性能，減少了實(shí)際模型研究的重復(fù)性，縮短了材料研發(fā)周期，提高了材料的設(shè)計(jì)制作效率。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，模擬的范圍不斷擴(kuò)大，從納米級的凝聚態(tài)物質(zhì)到宏觀材料都可以進(jìn)行模擬，為材料的發(fā)展提供了一條嶄新的路徑，拓展我們對材料的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域。
4結(jié)論與展望
材料作為當(dāng)前新技術(shù)革命的支柱產(chǎn)業(yè)，受到世界各個(gè)國家的重視，仿生結(jié)構(gòu)及其功能材料是材料科學(xué)的重要組成部分，尤其是仿生高性能材料研發(fā)極大地促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展。由最初的普通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向微觀化方向發(fā)展，由低維度向高維度發(fā)展，利用先進(jìn)的科學(xué)設(shè)備進(jìn)行模擬、構(gòu)造、重組新型功能、環(huán)保、智能一體化材料將是當(dāng)前及以后的研究重點(diǎn)，并將對于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的快速發(fā)展有積極推進(jìn)作用。——論文作者：郭帥帥，封文江，朱影，何江海，徐雅輝，亓雨生，楊?yuàn)W新
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