仿生材料合成

《仿生材料合成》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、仿生材料合成1仿生納米合成的思想：生物天生具有自我識別，自我組織和自我復(fù)制的本領(lǐng)。將無生命的小分子組裝成具有精確構(gòu)造并具有特定功能的生命體。小到單細(xì)胞生物，大到復(fù)雜的人體都具有這種本領(lǐng)。4種基本的核苷酸（ATCG）經(jīng)過有序的排列組合，可以構(gòu)造出攜帶全部遺傳信息的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。20種基本的氨基酸，經(jīng)過有序排列組合，幾乎可以產(chǎn)生所有的生物蛋白。生物體內(nèi)的許多結(jié)構(gòu)單元，其尺寸都在納米的范疇。血紅蛋白的直徑為6.8nm，生物膜的厚度約為6~10nm，DNA的直徑約為2nm，它們都是天然形成的納米材料?？?/p>

2、學(xué)家的任務(wù)就是要了解這種“自我識別，自我組織和自我復(fù)制”的來源，給出解釋，同時(shí)嘗試模擬生物界的這種自我識別和自我裝配的過程。因此仿生納米思想的產(chǎn)生式十分自然的。生物結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)是原子和分子之間具有范德華力，氫鍵，疏水作用等較弱的作用力，是這些作用力驅(qū)動了分子的自組裝。其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性是由這些因素的協(xié)同作用來維持的?；谶@種思想，所謂仿生納米合成可以理解為：從單個(gè)原子，多個(gè)分子，或單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元出發(fā)，通過事前設(shè)計(jì)和利用它們之間的相互作用，使其按照人的意識，憑借內(nèi)在的弱作用和協(xié)同作用，自發(fā)地組

3、成一維，二維或三維的納米材料或納米結(jié)構(gòu)，這就是納米仿生合成的思路。納米仿生合成的主要內(nèi)容有有(1)結(jié)構(gòu)生物材料的物化分析;(2)直接模仿生物體進(jìn)行的材料制備與開發(fā);(3)利用生物加工技術(shù)制備材料的力學(xué)行為分析;(4)用模仿過程中得到的新概念,進(jìn)行新型合成材料的設(shè)計(jì);(5)在新領(lǐng)域中這些材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用;(6)在生物結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的指導(dǎo)下,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化;(7)生物材料及結(jié)構(gòu)在進(jìn)化過程中,所用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的分析;(8)模仿生物體所進(jìn)行的實(shí)用系統(tǒng)的開發(fā)等?？煽闯?它不僅涉及到材料科學(xué),而且與材料工程緊

4、密相聯(lián)。仿生納米合成許多方式，例如（1）仿照生物分子通過非共價(jià)相互作用，形成具有特定功能的多分子集合體，可以合成各種各樣的納米材料；（2）仿照生物膜的結(jié)構(gòu)，將功能分子有序地排列起來，進(jìn)而獲得致密而有序的單分子膜或多層膜材料；（3）仿照生物體內(nèi)骨骼，牙齒的“生物礦化”過程，可以制備出有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料。2新型仿生材料的研究動態(tài)2.1仿骨復(fù)合材料設(shè)計(jì)骨是一族生物礦物材料的總稱。它由低密度多孔滲水組織材料組成，卻有高的機(jī)械性能目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為骨是一種復(fù)合材料,其主體骨架為纖維狀結(jié)構(gòu),其中充填了納米級板狀

5、片狀的無機(jī)晶體,因此它可看作是無機(jī)納米材料增強(qiáng)的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料骨的強(qiáng)度比以陶瓷相為主的材料高很多,有機(jī)相是增加強(qiáng)度的主要原因,骨的獨(dú)特的多級結(jié)構(gòu)特征使其具有高強(qiáng)度、高韌性等力學(xué)性能。所以可根據(jù)骨的特殊結(jié)構(gòu),在無機(jī)物框架中填充有機(jī)物晶片,增強(qiáng)材料的性能。骨除了具有像竹子的外強(qiáng)里弱的結(jié)構(gòu)外,骨骼的兩端都有啞鈴狀粗大的圓頭,經(jīng)應(yīng)力分析,端部圓頭具有增加抗拉性和與肌肉聯(lián)結(jié)的效能,不僅增加抗拉強(qiáng)度,也增加斷裂韌性。試驗(yàn)表明,啞鈴狀短纖維比平直短纖維復(fù)合材料具有較高的抗拉強(qiáng)度與斷裂韌性.經(jīng)理論分析得出結(jié)論:

6、隨著端頭半徑的增大,啞鈴狀短纖維可以顯著減少纖維端部的界面剪應(yīng)力,使材料的承載性能較少地依賴界面的粘接。這種仿骨骼的啞鈴狀短纖維模型應(yīng)用于復(fù)合材料的實(shí)際設(shè)計(jì)和制備中,可使材料內(nèi)的啞鈴狀短纖維和粘接材料如動物的骨骼和肌肉一樣協(xié)調(diào)運(yùn)動,可大大增加材料的使用壽命。2.2仿生陶瓷材料設(shè)計(jì)陶瓷材料的脆性和增韌一直是研究的熱點(diǎn)問題之一,也是陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一現(xiàn)在人們提出長纖維或晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、顆粒彌散強(qiáng)化、相變增韌等多項(xiàng)強(qiáng)韌化措施,也取得了積極的成果,但是這些措施很有限,沒有從本質(zhì)上解決陶瓷材料的

7、脆性問題。貝殼珍珠層通過簡單組成和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精妙組合獲得了優(yōu)良的綜合性能。在珍珠層中,霞石含量為99%,以蛋白質(zhì)為主的有機(jī)質(zhì)不到1%。正是這些有機(jī)質(zhì)將不同尺寸的霞石晶片按特殊的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成了這種復(fù)合材料,其斷裂韌性比純霞石高出3000倍以上。由此得到啟發(fā),可以用簡單的成分進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組合,改變以前復(fù)雜成分簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,這樣更可以提高材料的性能.陶瓷材料的這種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本質(zhì),為陶瓷材料的強(qiáng)韌化提供了一條嶄新的研究和設(shè)計(jì)思路.。設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮:（1）簡單組成,

8、復(fù)雜結(jié)構(gòu);（2）引人弱界面層,使裂紋在弱界面層中消耗大的斷裂能;（3）采用非均質(zhì)設(shè)計(jì),精細(xì)結(jié)構(gòu).等用基體陶瓷層(如四氮化三硅)模擬霞石晶片,弱界面層(氮化硼)模擬有機(jī)質(zhì)層制備的纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)陶瓷的斷裂韌性高達(dá)24MPa.m，斷裂功高達(dá)4000J/m。根據(jù)對珍珠層進(jìn)一步的研究,我國學(xué)者還設(shè)計(jì)了A1203芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂疊層仿珍珠層復(fù)合材料,這種仿珍珠層結(jié)構(gòu)的斷裂功比對應(yīng)的陶瓷提高了兩個(gè)數(shù)量采用生物礦化的原理制造陶瓷薄膜涂層可以有效地克服傳統(tǒng)薄膜制造技術(shù)的弱點(diǎn),生物陶瓷