仿生功能材料

1、功能材料概論期末小論文淺談仿生功能材料摘要：隨著人民生活質量的進一步改善和提高，人們的生活對各種科學技術的要 求也不斷提高，而許多科技產品的發(fā)展都需要新型材料的支持，而新型功能材料 正好能為科技提供發(fā)展基礎。什么是功能材料？功能材料具有優(yōu)良的電學、磁學、 光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，有特殊的物理、化學、生物學 效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類 高科技領域的高新技術材料。功能材料市場將很快轉化為充滿勃勃生機的現實市 場，從而創(chuàng)造出巨大的社會經濟效益，成為國民經濟的一個支柱產業(yè)。下面我想 談談功能材料的一個分支仿生功能材料一、什么是仿生功能材料

2、？仿生功能材料指模仿生物的各種特點或特性而開發(fā)的材料。自然界中存在的 天然生物材料有著人工材料無可比擬的優(yōu)越性能。我們通過研究他們的特點特 性，制造我們能使用的材料，例如研究螢火蟲發(fā)明人工冷光、研究電魚發(fā)明伏特 電池；研究蒼耳屬植物發(fā)明尼龍搭扣、研究鯊魚發(fā)明特質泳衣二、仿生功能材料的基本原理現實生活中我們接觸過許多動物與植物，例如屹立幾百年而不倒的大樹；幾 乎不發(fā)熱量的冷血昆蟲，而地球上所有生物都是由一些簡單且廉價的無機和有機 材料通過組裝而形成，他們僅僅利用極少的幾種元素，主要是碳、氫、氧、氮等 組合而成，便能發(fā)揮出多種多樣的功能，這實在令人嘆服！在高分子化學世界里， 我們已經制造出了聚乙烯

3、、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料，具有多種 多樣的功能。但是，人類所創(chuàng)造的材料與自然界生物體的構成材料還有很大的不 同，迄今為止，再高明的材料科學家也做不出具有高強度和高韌性的動物牙釉質； 海洋中長出的色彩斑斕、堅固又不被海水腐蝕的貝殼。如果我們眼光投向生物體 的材料構造與形成過程，在充分的理解生物現象之后，用生物材料的觀點來思考 人工材料，從生物功能的角度來設計與制作適合人類生活所需的材料。三、仿生功能材料的運用舉例及原理 1、自清潔玻璃仿生機理：荷葉表面多尺度結構和表皮生物臘的存在是引起荷葉表面“自 清潔”的原因。荷葉表面由很多密集排列的直徑1020m左右“乳突”所組成， 它們之間存

4、在納米級空隙，而每一個微米級乳突上還存在很多直徑200nm左右的 小乳突。形成微納米雙重結構的乳突，使空氣填充其間。水在荷葉上，由于表面 張力和乳突間空氣的阻力的作用，水的表面總是趨向于盡可能縮小成球狀，接觸 角可達170度左右，幾乎完全不浸潤。荷葉使水和塵埃在其表面的接觸面積比一 般材料減少了90%多，水滴極易滾動，在水滴滾動的同時，就帶走了葉子上的塵 埃和細菌，從而實現自清潔的功能。荷葉擁有的這種特性被稱為超疏水性能。利用荷葉的特性制成的超疏水性自清潔玻璃：當表面有微小突起的時候，有一些空氣會被“關到”水與固體表面之間，導 致水珠大部分與空氣接觸，與固體直接接觸面積反而大大減小。由于水的表

5、面張 力作用使水滴在這種粗糙表面的形狀接近于球形，其接觸角可達150度以上，并 且水珠可以很自由地在表面滾動。即使表面上有了一些臟的東西，也會被滾動的 水珠帶走，由于水分子間的引力作用，水珠走過的地方不會在玻璃表面留下水痕， 這樣表面就具有了“自清潔”的能力。這種自清潔玻璃冬季有很好的防結冰作用。自潔性能測試（曝曬實驗）60 111051015未處理-自潔處理循環(huán)次數（次）自潔處理-未處理2、磷酸鈣和骨膠原人造骨骼日本物質和材料研究機構與有關大學合作開發(fā)出新的人造骨骼.是用由骨骼 的無機成分磷酸鈣和有機成份骨膠原組成的復合材料制成的.其強度與彈性均接 近于真正的骨骼.把它移植到缺損部位能很快被

6、吸收并長出新的骨骼來。在狗身 上做實驗表明.大約3個月就可以再生出新的骨骼來。這一科研成果目前僅處于 動物實驗階段，尚需進行實用化研究開發(fā)，才能達到臨床試驗水平。3、仿生增韌陶瓷材料陶瓷材料的脆性和如何增韌是其應用的關鍵問題之一，也一直是研究的熱 點。人們提出過長纖維或晶須增韌補強、顆粒彌散強化、相變增韌等多項強韌化措施，也取得了積極的成果，但仍沒有從本質上解決陶瓷材料的脆性問題。自然界中貝殼珍珠層的組成中雖然近95%是普通陶瓷CaCO3,但其綜合力學 性能優(yōu)異，特別是斷裂韌性，比單相CaCO3陶瓷高23個數量級。這說明貝殼珍 珠層所具有的優(yōu)異力學性能與其獨特的生物結構有密切關系。貝殼珍珠層是

7、由文 石、晶片形成增強相的層狀復合材料，占總質量1%5%的有機質填充于無機相 之間。層與層間的有機質具有三明治式夾心結鉤，外夾憎水的絲心蛋白質和親水 的酸性蛋白質。文石品體與有機基質交替疊層的排列方式是抗脆斷的關鍵所在， 由于有機基質層強度相對較弱，易于誘導裂紋在其中偏轉，從而阻止了裂紋的穿 透擴展。因此，可以把珍珠層的結構抽象為軟硬相交替的多層增韌結構，正是這 種結構組合賦予了貝殼珍珠層極佳的斷裂韌性。k ASfrgkattfltSKk. .四、我國仿生功能材料發(fā)展和困難我國非常重視功能材料的發(fā)展，在國家攻關、“ 863”、“973”、國家自然科 學基金等計劃中，功能材料都占有很大比例。在“

8、九五” “十五”國防計劃中還 將特種功能材料列為“國防尖端”材料。這些科技行動的實施，使我國在功能材 料領域取得了豐碩的成果。在“863”計劃支持下，開辟了超導材料、平板顯示 材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能 固體推進劑材料，紅外隱身材料，材料設計與性能預測等功能材料新領域，取得 了一批接近或達到國際先進水平的研究成果，在國際上占有了一席之地。竦氫電 池、鋰離子電池的主要性能指標和生產工藝技術均達到了國外的先進水平，推動 了竦氫電池的產業(yè)化；功能陶瓷材料的研究開發(fā)取得了顯著進展，以片式電子組 件為目標，我國在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低燒瓷料和賤金

9、屬電極 上形成了自己的特色并實現了產業(yè)化，使片式電容材料及其組件進入了世界先進 行列；高檔釹鐵硼產品的研究開發(fā)和產業(yè)化取得顯著進展，在某些成分配方和 相關技術上取得了自主知識產權；功能材料還在“兩彈一星”、“四大裝備四顆 星”等國防工程中作出了舉足輕重的貢獻。世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰(zhàn)，新技術、新專利層 出不窮。發(fā)達國家企圖通過知識產權的形式在特種功能材料領域形成技術壟斷， 并試圖占領中國廣闊的市場，這種態(tài)勢已引起我國的高度重視。我國在新型稀土 永磁、生物醫(yī)用、生態(tài)環(huán)境材料、催化材料與技術等領域加強了專利保護。但是， 我們應該看到，我國功能材料的創(chuàng)新性研究不夠，申報的專利數，尤其是具有原 創(chuàng)性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統(tǒng)集成方面也存在 不足，有待改進和發(fā)展。五、仿生功能材料發(fā)展的展望通過不斷從生物界獲得靈感，仿生材料越來越向著微觀化、智能化發(fā)展，由 功能材料構筑各種仿