仿生材料学

模仿生物的各种特点或特性而开发的材料

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。

研究内容

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。

研究设想

人造纤维

最早开始研究并取得成功的仿生材料之一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。

人鱼传说

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。

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。

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。

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,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。

成长复合材料

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。

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。

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