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仿生材料


又叫水瓜,寒瓜 , 夏瓜,因在汉代从西 域引入,故称“西瓜”。西瓜味道甘甜 多汁,清爽解渴,是盛夏的佳果,既能 祛暑热烦渴,因此有“天然的白虎汤” 之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外,几 乎含有人体所需的各种营养成分,是一 种富有营养,纯净,食用安全的食品。
仿生材料最新研究领域
光子晶体材料:是一类特殊 的晶体,其原理很像半导体, 有一个光子的能力。蛋白石 就是其中的典型,它的组成 仅仅是宏观透明的二氧化硅, 其立方密堆积结构的周期性 使其具有了光子能带结构丽的色彩 。(这种材料的研发
仿生材料
仿生材料
仿生材料定义: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。 自然界中的物质和天然生物材料,如贝壳,骨骼等经过上 亿年进化的产物,具有适应环境与功能需求的最佳结构,表现 出传统人工合成材料无法比拟的优异强韧性,功能适应性以及 愈合能力。在生物医疗领域,仿照天然生物材料制备出具有生 物功能,甚至是生物活性的材料成为生物材料科学极为活跃的 前沿研究领域。
仿生高超强韧材料:贝壳的成 分主要是碳酸钙和少量的壳基 质构成,这些物质是由外套膜 上皮细胞分泌形成的。贝壳的 结构一般可分为 3 层:最外一层 为角质层,很薄,透明,有光 泽,由壳基质构成,不受酸碱 的侵蚀,可保护贝壳。中间一 层为壳层,又称棱柱层,占贝 壳的大部分,由极细的棱柱状 的方解石(CaCO3, 三方晶系) 构成。最内一层为壳底 , 即珍珠 质层,富光泽,由小平板状的 结构单元累积而成、成层排列, 组成成分是多角片型的文石结 晶体(CaCO3, 斜方晶系)。
仿生高黏附材料:壁虎 之所以能够攀爬,倒悬 于墙壁之上,是由于每 只脚底有大约十万根左 右的绒毛,直径越 5 微 米,每根绒毛的底端又 分 成 400~1000 根 的 分 支 , 直 径 大 约 0.2 微 米 ~0.5 微 米 , 这 种 纳 米 微米的多分子结构使得 绒毛和物体表面分子能 够在分子水平接触,两 者之间产生的范德华力 足以支撑整个身体。 100 万根绒毛可以支撑 1225N 的力,对任意表 面具有良好的适应能力。
蚕丝( silk )是熟蚕结茧时所分泌丝液 凝固而成的连续长纤维,也称天然丝, 是一种天然纤维。人类利用最早的动物 纤维之一。
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。
根据科学家计算,一束铅笔粗细的 蜘蛛丝可以使一架正在飞行中的波 音747飞机停下来。 蜘蛛丝结构:直径约为几个微米 (人发约为100微米),是由一些原 纤的纤维束组成,原纤是几个厚度 为纳米级的微原纤的集合体,微原 纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化 合物。
摔不坏的陶瓷, 强与韧的完美结合
贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑 性变形,具有优异的高韧性。其主要 原因是由于裂纹偏转、纤维(晶片) 拔出以及有机基质桥接等各种韧化机 制协同作用的结果。而这些韧化机制 又与珍珠层的特殊组成、结构密切相 关。
在鳃小片中有微血管,这里的表皮很薄, 当血液流过这里时就完成了气体交换: 将带来的二氧化碳透过鳃小片的薄壁, 送到水中;同时,吸取水中的氧,氧随 血液循 环输送到身体各部分去。由于口 部和鳃盖的交替开闭,可以使水不断地 由口进入口腔,经咽到达鳃腔,与鳃丝 接触,然后由鳃孔排到外面,鱼类的呼 吸作用就是在这个过程中完成的。
仿生材料举例
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
萤火虫的发光,简单来说,是荧 光素( 在蓝光或紫外线照射下,发出绿 色荧光的一种黄色染料 )在催化下发 生的一连串复杂生化反应;而光 即是这个过程中所释放的能量。
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。
仿生强韧纤维材料:蜘蛛丝经过四 亿年的进化,实现了结构与功能的 统一,是世界上最强韧的材料之一, 天然蜘蛛丝其抗拉强度超过了人类 自制的钢和凯夫拉(在上世纪60年代,
美国杜邦公司研制出一种新型芳纶纤维复合 材料 ---- 芳纶 1414 ,由于这种新型材料密度 低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和 成型,而受到人们 的重视。 由于“凯夫拉” 材料坚韧耐磨、刚柔相济,具有刀枪不入的 特殊本领。在军事上被称之为“装甲卫士 ),
可以利用在纺织染色行业,减少化 学染料对环境的污染)
仿生空心结构材料:自然界 中很多生物都是采用多通道 的超细管状结构,例如许多 植物的茎都是中空的多通道 微米管,使其在保证足够强 度的前提下可以有效节约原 料及输运水分和养料,为减 轻重量以及保温,鸟类的羽 毛也具有多通道管状结构, 许多极低动物的皮毛具有多 通道或者多空腔的微 / 纳米管 状结构,具有卓越的隔热性 能。
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。
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