綠色化學(xué)導(dǎo)論 論文 徐晟

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1、華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2012級本科生“IntroductiontoGreenChemistry”課程論文專題：Bio-inspiredDesignsoftheChemicalSyntheses,Processes,ChemicalsandMaterials學(xué)生姓名：徐晟學(xué)號：201230301411所在學(xué)院：材料學(xué)院提交日期：成績：任課教師：評語：仿生材料摘要：仿生學(xué)誕生于二十世紀(jì)60年代，是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。本文主要從材料仿生的：

2、成分仿生，結(jié)構(gòu)仿生，過程仿生，智能仿生與綜合仿生這幾大方面研究受生物啟發(fā)的功能材料，加深對仿生材料的認(rèn)識，促進(jìn)仿生材料的發(fā)展。關(guān)鍵詞：仿生材料；成分仿生；結(jié)構(gòu)仿生；過程仿生；智能仿生1前言生物體經(jīng)過20億年的選擇、進(jìn)化、磨合和積累，形成了微觀復(fù)合、宏觀完美的結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)材料所不能及的。在現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域，仿生學(xué)和仿生材料學(xué)都發(fā)揮著巨大的作用。人類社會文明的發(fā)展和材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。近年來，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，仿生材料學(xué)得到了飛速的發(fā)展[1]。從材料學(xué)角度認(rèn)識、模仿或利用某些生物體的顯微結(jié)構(gòu)、生化功能或生物合成過程來進(jìn)行材料的設(shè)計、

3、制造，以便獲得具有特殊功能或優(yōu)異性能的新材料是材料仿生的主要內(nèi)容，也是設(shè)計制造新型復(fù)合材料的有效途徑。本文主要從成分仿生、結(jié)構(gòu)仿生、過程仿生、功能仿生、智能仿生與綜合仿生這幾個方面介紹仿生材料的設(shè)計。2材料仿生的定義仿生材料是指模仿生物的各種特點或特性而研制開發(fā)的材料。通常把仿照生命系統(tǒng)的運行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計制造的人工材料稱為仿生材料。仿生學(xué)在材料科學(xué)中的分支稱為仿生材料學(xué)(biomimeticmaterialsscience),它是指從分子水平上研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點、構(gòu)效關(guān)系,進(jìn)而研發(fā)出類似或優(yōu)于原生物材料的一門新興學(xué)科,是化學(xué)、材料學(xué)、

4、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的交叉[2]。地球上所有生物體都是由無機(jī)和有機(jī)材料組合而成。由糖、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、水等基本元素有機(jī)組合在一起,形成了具有特定功能的生物復(fù)合材料。2.1成分仿生成分仿生就是模仿天然生物材料的成分來制備塊體材料或表面膜層材料。是最簡單、最直接的仿生。 2.1.1羥基磷灰石。典型的例子是生物骨骼的成分仿生。骨骼是支撐人體的關(guān)鍵器官，因而骨骼破損的修復(fù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要任務(wù)之一。眾所周知，骨骼的主要成分是以羥基磷灰石為主的磷酸鈣，因此很自然的一個仿生思想就是制造羥羥基磷灰石(Hydroxylapatite,HAP)其化學(xué)成份與生物組織如牙齒的無機(jī)

5、成份相似,具有好的生物相容性已被廣泛用于植骨和蓋髓研究[3]。HA生物相容性好，但很脆，其斷裂強(qiáng)度與普通玻璃相當(dāng)，而鈦合金生物相容性不及HA，但斷裂韌性是它的40倍，把兩者結(jié)合則可達(dá)到人工牙、人工關(guān)節(jié)、人工長骨等醫(yī)用植入物性能要求。制備HA膜的方法主要有：等離子噴涂，離子鍍，磁控濺射，射頻濺射，脈沖激光沉積，電泳沉積，化學(xué)沉積，電化學(xué)沉積，金屬-有機(jī)物CVD，溶膠-凝膠法，熱等靜壓燒結(jié)等。2.2結(jié)構(gòu)仿生天然生物材料幾乎都是復(fù)合材料，不同物質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)、不同增強(qiáng)體形態(tài)和尺度的復(fù)合使得天然生物材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一常規(guī)材料的綜合性能。模仿天然生物材料特殊精巧的結(jié)

6、構(gòu)特征或者從中得到啟發(fā)而制備出類似結(jié)構(gòu)特征的材料的仿生設(shè)計，稱為結(jié)構(gòu)仿生。結(jié)構(gòu)仿生的目的就是研究天然生物材料這些天然合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其特點，并用以設(shè)計和制造先進(jìn)復(fù)合材料[4]。2.2.1仿生增韌陶瓷材料陶瓷材料的脆性和如何增韌是其應(yīng)用的關(guān)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(bǔ)強(qiáng)、顆粒彌散強(qiáng)化、相變增韌等多項強(qiáng)韌化措施,也取得了積極的成果,但仍沒有從本質(zhì)上解決陶瓷材料的脆性問題[5]。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(xué)性能優(yōu)異,特別是斷裂韌性,比單相CaCO3陶瓷高2~3個數(shù)量級。這說明貝殼珍珠層所具

7、有的優(yōu)異力學(xué)性能與其獨特的生物結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。礦物學(xué)研究表明[6,7],貝殼珍珠層是由文石、晶片形成增強(qiáng)相的層狀復(fù)合材料,占總質(zhì)量1%一5%的有機(jī)質(zhì)填充于無機(jī)相之間"層與層間的有機(jī)質(zhì)具有三明治式夾心結(jié)鉤,外夾憎水的絲心蛋白質(zhì)和親水的酸性蛋白質(zhì)(見圖1)。這種文石晶體與有機(jī)基質(zhì)交替疊層的排列方式是抗脆斷的關(guān)鍵所在,由于有機(jī)基質(zhì)層強(qiáng)度相對較弱,易于誘導(dǎo)裂紋在其中偏轉(zhuǎn),從而阻止了裂紋的穿透擴(kuò)展。因此,可以把珍珠層的結(jié)構(gòu)抽象為軟硬相交替的多層增韌結(jié)構(gòu),正是這種結(jié)構(gòu)組合賦予了貝殼珍珠層極佳的斷裂韌性。借鑒貝殼珍珠層構(gòu)造,改變以往復(fù)雜成分、簡單結(jié)構(gòu)的陶瓷材料傳統(tǒng)設(shè)計思

8、想,采用簡單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)并引人弱界面層,使得裂紋在弱界面層中反復(fù)