淺談仿生材料

1、淺談淺談五組李玉發(fā) 張書(shū)銘 楊羽西仿生材料指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開(kāi)發(fā)的材料。仿生材料學(xué)是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支，是化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的交叉。受生物啟發(fā)或者模仿生物的各種特性而開(kāi)發(fā)的材料稱(chēng)仿生材料，仿生材料在21世紀(jì)將為人類(lèi)做出更大的貢獻(xiàn)。 模擬海參的生物醫(yī)學(xué)塑料大腦植入電極有助于治療神經(jīng)類(lèi)疾病，但是常用的質(zhì)地較硬塑料將大大削減治療的有效性。2008年，凱斯西儲(chǔ)學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海參的皮膚是一種有效解決方案。研究負(fù)責(zé)人克里斯托夫-韋德從聚合物基質(zhì)中的精細(xì)纖維素纖維中研制一種新材料，該材料就像海參一樣可以在僵硬與松軟狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。如果沒(méi)有水，這種適應(yīng)性較強(qiáng)的醫(yī)學(xué)材料將變得僵硬，當(dāng)

2、添加水就會(huì)變得柔軟。麥吉說(shuō)：“這種材料可從柔軟海綿狀變得堅(jiān)硬，它能使我們變得更加健康?！被瘜W(xué)方法固定二氧化碳 作為化學(xué)方法固定二氧化碳的方向之一，二氧化碳制塑料對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳捕集、封存與利用具有重要意義。一方面，二氧化碳制塑料可以在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)塑料，從而減少了生產(chǎn)傳統(tǒng)塑料過(guò)程中的碳排放；另一方面，生產(chǎn)一噸樹(shù)脂消耗0.4-0.5噸左右的二氧化碳，也體現(xiàn)了二氧化碳資源化利用 的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。二氧化碳制塑料與強(qiáng)化采油（CO2-EOR）類(lèi)似，在減少CO2排放的同時(shí)，可為企業(yè)帶來(lái)收益。 中海油投資1.522億元人民幣建設(shè)的3000噸/年二氧化碳可降解塑料項(xiàng)目也于2008年三季度建成投產(chǎn)，該項(xiàng)目采用中科院長(zhǎng)

3、春應(yīng)化所技術(shù)，已成功將二氧化碳可降解塑料吹膜并制作成環(huán)保塑料袋。江蘇中科金龍化工股份公司早于2007年就形成了2.2萬(wàn)噸/年的二氧化碳樹(shù)脂生產(chǎn)能力（一條2000噸/年和一條20000噸/年的生產(chǎn)線），該項(xiàng)目采用中科院廣州化學(xué)所技術(shù)。中科金龍已經(jīng)開(kāi)發(fā)了二氧化碳樹(shù)脂在涂料、保溫材料、薄膜等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。中科金龍公司計(jì)劃在2015年前實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)噸/年的二氧化碳樹(shù)脂產(chǎn)能。蘑菇能做什么？ 利用真菌制作的材料在世界上生產(chǎn)的纖維材料中，有一種網(wǎng)狀菌絲體，它由纖維纏繞，顯得毫無(wú)織物紋路，更無(wú)法測(cè)定其性能，可它卻成為當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家最看好的可再生資源。而且當(dāng)它廢棄時(shí)，還可以成為復(fù)合材料工業(yè)中最為看好的再生資源

4、，即廢舊利用原材料。 美國(guó)紐約一家稱(chēng)為EcovativeDesign的纖維開(kāi)發(fā)公司將這種菌絲纏繞材料設(shè)計(jì)為建筑用復(fù)合材料。由此，他們?cè)僖膊挥脗鹘y(tǒng)所用的高成本聚氨酯樹(shù)脂，取而代之，他們認(rèn)為，真菌細(xì)絲纖維網(wǎng)的作用更好。這種很細(xì)的菌絲活躍度很強(qiáng)，纖維絲生長(zhǎng)長(zhǎng)度可達(dá)8英里，可替代天然膠。其終端產(chǎn)品除了做包裝材料外，還可以做絕緣材料、服裝纖維材料等等。 引人矚目的是，它具有很強(qiáng)的生物降解作用。而它的原材料卻來(lái)源于農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如棉田秸稈、種子渣滓殼、植物莖桿和其他農(nóng)業(yè)廢料。 真菌菌絲體具有十分穩(wěn)定的性能，可防潮，可模塑，可低變應(yīng)原，它還是最佳的天然阻燃材料。根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM測(cè)試，真菌菌絲體符合

5、相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。 依據(jù)Ecovative實(shí)驗(yàn)室的反復(fù)測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)，菌絲體的生長(zhǎng)需要各種農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如麥稈、稻草和其他莊稼秸稈。其中棉秸稈是菌絲體最佳生長(zhǎng)介質(zhì)，菌絲體遇到天鵝絨般的介質(zhì)時(shí)，會(huì)快速生長(zhǎng)。當(dāng)然，這種材料也取決于秸稈加工的方法。為了使菌絲體迅速生長(zhǎng)，他們采取了生物技術(shù)，使其快速生長(zhǎng)。若能把菌絲體介質(zhì)放入模內(nèi)，使其自然長(zhǎng)成人們所需的模子，那么菌絲體形狀可直接成為包裝用品而進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。 棉纖維無(wú)紡物要做成一種形狀往往需要多次加工，而菌絲體成型則省去了這些工序。成型后的菌絲體僅需加熱脫水既能停止菌絲體繼續(xù)生長(zhǎng)，而直接成為包裝用材。 從另一方面來(lái)說(shuō)，如今建筑用材的特性大多硬脆，沒(méi)有韌性，但

6、是菌絲體卻柔軟無(wú)比，既可作坐墊，也可作鞋底材料，它柔韌靈活，經(jīng)久耐用，彈性良好。由此，該公司開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)用于運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的材料，委托彪馬公司生產(chǎn)。 不僅如此，該公司還為汽車(chē)工業(yè)開(kāi)發(fā)出坐墊、消音和隔熱材料。 模擬病毒的“電池材料”美國(guó)麻省理工學(xué)院在其網(wǎng)站上宣稱(chēng)，該校研究人員日前開(kāi)發(fā)出了一種新技術(shù)，可通過(guò)一種名為“M13”的病毒將太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高近三成。相關(guān)論文發(fā)表自然納米技術(shù)雜志上。先前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。理想的情況下，碳納米管會(huì)收集更多的電子，提高太陽(yáng)能電池的表面積，從而產(chǎn)生更大的電流。但麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)也存有一定的局限性。碳納米管

7、有兩種，按功能可分為半導(dǎo)體類(lèi)碳納米管和導(dǎo)線類(lèi)碳納米管，兩種納米管不但在作用上不同，還容易發(fā)生聚集，從而嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化效率。研究人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，M13病毒可以很好地解決這一問(wèn)題。這種病毒長(zhǎng)度為880納米，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于操控，且對(duì)人體無(wú)害。M13病毒中的一種肽可使其附著在碳納米管上，從而保證納米管處于恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?，避免與其他碳納米管發(fā)生黏連。每個(gè)病毒使用300個(gè)左右的蛋白質(zhì)分子可以控制大約5到10個(gè)納米管。實(shí)驗(yàn)顯示，采用病毒結(jié)構(gòu)的新型太陽(yáng)能電池可將光電轉(zhuǎn)化效率從普通太陽(yáng)能電池的8%提高到10.6%，而新系統(tǒng)在重量上只增加了0.1%。除可固定碳納米管外，M13病毒還會(huì)產(chǎn)生出二氧化鈦，而二氧化鈦顆?？捎行?/p>

8、提高電子的傳輸效率。這種物質(zhì)同樣也是“格雷策爾電池 ”中的主要組成部分。“格雷策爾電池”也被稱(chēng)為染料敏化太陽(yáng)能電池，工作原理是通過(guò)模仿光合作用產(chǎn)生電能。其發(fā)明人瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)院光子學(xué)和界面試驗(yàn)室主任邁克爾格雷策爾曾因該技術(shù)被授予芬蘭2010年“千年技術(shù)獎(jiǎng)”。此外，M13病毒還會(huì)讓碳納米管具有水溶性，使其在室溫條件下可更方便地加入到太陽(yáng)能電池板中，從而降低生產(chǎn)成本。 研究人員稱(chēng)，關(guān)于兩種碳納米管在太陽(yáng)能電池中具有不同效用的發(fā)現(xiàn)也是此次研究的一項(xiàng)重要成果，此前還沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)證明過(guò)。半導(dǎo)體納米管可以提高太陽(yáng)能電池的性能，但導(dǎo)線類(lèi)納米管的作用卻正好相反。該發(fā)現(xiàn)或有助于設(shè)計(jì)出更有效的納米電池、壓電

9、材料或其他與電力相關(guān)的材料。負(fù)責(zé)該項(xiàng)研究的麻省理工學(xué)院教授安吉拉貝爾徹說(shuō)，該技術(shù)還可以用來(lái)設(shè)計(jì)其他病毒增強(qiáng)型太陽(yáng)能電池，包括量子點(diǎn)和有機(jī)太陽(yáng)能電池。在提高普通太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率上該技術(shù)也有很大的潛力，不過(guò)這有賴于生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 貽貝與防水膠棒貽貝也是利用閉殼肌和韌帶開(kāi)啟和關(guān)閉貝殼的，但是貽貝閉殼未能象蚶子閉得那樣緊，常常留有縫隙，縫隙就是足絲伸出的地方，因?yàn)橘O貝是用由足分泌的足絲固著在海底巖石或其他物體上生活的。足絲成分是一種蛋白質(zhì)，很堅(jiān)固而又有韌性，所以用足絲固著的力量很大，有時(shí)候人們要采它是很費(fèi)力的，但是貽貝在用足絲固著以后，還可以牽制足絲，使身體在固著面上做小范圍的活動(dòng)。如果遇

10、到環(huán)境變化，還能使足絲脫落，進(jìn)行較大范圍的活動(dòng)，在新的適宜環(huán)境分泌新的足絲，重新固著。設(shè)計(jì)靈感源自貽貝等海洋生物。美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校有機(jī)化學(xué)教授赫伯特-韋特設(shè)計(jì)了一種新穎方法制造適用于潮濕表面的膠棒。模擬鯊魚(yú)皮的抗菌材料 對(duì)于海洋中的某些細(xì)菌、海藻和貝類(lèi)而言，從身邊經(jīng)過(guò)的一艘艘輪船就是活動(dòng)的礁石，船底、船身、管道都是它們棲身的絕佳場(chǎng)所。如果船舶船體上不使用防生物污損的防護(hù)涂料，往往不出兩個(gè)月，船底就會(huì)被各種海洋附著生物覆蓋得幾乎看不出原樣。 尤其是在熱帶、亞熱帶海域活動(dòng)的船只，在海水溫度高的地方，海洋生物的活性也高，沒(méi)有防污技術(shù)，輪船在北方還能開(kāi)一段時(shí)間，到了廈門(mén)、廣州，個(gè)把月船體就被

11、各種附著生物鋪滿了。不光是船舶，一些海洋采油平臺(tái)、海水冷卻管道都面臨著同樣的污損問(wèn)題。海水冷卻管道不防腐防污，很快就會(huì)成為細(xì)菌、海藻的天堂，沒(méi)過(guò)多久就會(huì)被徹底堵塞。四環(huán)素原本是用于治療感染的抗生素，現(xiàn)在卻被一些國(guó)家用于船舶防污涂料，以防止海藻、藤壺等生物附生在船體上。水中的細(xì)菌可能因而對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性，并且有可能會(huì)產(chǎn)生其他類(lèi)型的新細(xì)菌。英國(guó)科技部長(zhǎng)大衛(wèi)威利茨稱(chēng)，激增的抗生素抗藥性感染病患是當(dāng)今對(duì)人類(lèi)最大的威脅之一。 正是有了這些前車(chē)之鑒，與環(huán)境友好的防污涂料成為當(dāng)下全世界科研人員探究的一個(gè)趨勢(shì)和研究重點(diǎn)。在這方面已經(jīng)有了很多大膽而新鮮的嘗試。仿生涂料就是其中一種從其他生物身上獲取靈感的解決策

12、略。珠落在荷葉表面會(huì)滾落，而不是附著，正是因?yàn)槠渥陨硖厥饨Y(jié)構(gòu)所具有的“低表面能”物理特性。同樣，鯊魚(yú)、海豚身上為什么不會(huì)附生一些細(xì)菌、藻類(lèi)呢？它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、所分泌的物質(zhì)成為科學(xué)家們尋找答案的探索方向。游泳健將們用仿生鯊魚(yú)皮戰(zhàn)衣來(lái)減少阻力，提高成績(jī)，其實(shí)，鯊魚(yú)皮、海豚皮很可能在船舶涂料方面也發(fā)揮獨(dú)特的作用。水珠落在荷葉表面會(huì)滾落，而不是附著，正是因?yàn)槠渥陨硖厥饨Y(jié)構(gòu)所具有的“低表面能”物理特性。同樣，鯊魚(yú)、海豚身上為什么不會(huì)附生一些細(xì)菌、藻類(lèi)呢？它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、所分泌的物質(zhì)成為科學(xué)家們尋找答案的探索方向。游泳健將們用仿生鯊魚(yú)皮戰(zhàn)衣來(lái)減少阻力，提高成績(jī)，其實(shí)，鯊魚(yú)皮、海豚皮很可能在船舶涂料方面也發(fā)揮獨(dú)特的作用。由美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的材料科學(xué)教授布倫南領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組探究鯊魚(yú)防護(hù)海底生物附著的微觀結(jié)構(gòu)原理，研制出一種對(duì)環(huán)境