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        國際材料科學領域基礎研究的最新成果-仿生材料

        發布時間:2012-06-07    瀏覽次數:4744

        (1)仿生材料研究取得新進展:對材料的結構和性能進行仿生設計、以獲得滿足某些特定服役環境要求的工程材料是目前材料研究中的熱點之一。最近,中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室(LNM)“生物及仿生材料力學”課題組的宋凡研究員、許向紅副研究員和邵穎峰助理研究員及其合作者,用等離子刻蝕和酸腐蝕的辦法,在陶瓷表面成功引入了仿蜻蜓翼表面納米結構,使陶瓷表面的水接觸角提高五十度以上成為超疏水表面,有效地提高了陶瓷材料的抗熱震性。研究表明,在熱震過程中,仿生處理后的陶瓷表面能夠自動地覆蓋一層空氣膜,使得出現在陶瓷與熱震介質間劇烈的溫差所產生的熱梯度和應力不能直接作用于實際陶瓷上,這層空氣膜使陶瓷表面熱阻增加了近萬倍。
        相關研究結果已發表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett)(2010, 104: 125502)上,美國Physical Review Focus和英國New Scientist對此進行專題報道,得到了包括J. Am. Ceram. Soc.主編、著名陶瓷材料學家David Green等人的高度評價。同時被選入由American Institute of Physics 和American Physical Society 共同主辦的反映當前物理學和材料科學研究前沿中的焦點問題的刊物Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology。該項工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院資助。
        (2)仿生材料與器件:仿生學是化學、生命科學、數學、物理學、力學、材料學、納米科學、工程技術學等學科相互滲透而結合成的一門新興學科。其研究內容可主要劃分為以下3個層面:1了解自然材料的組成、結構、性質及變化等;2揭示自然界中生命物質結構與功能的本質關系,為仿生材料和器件的合成與構筑提供指導和理論依據;3利用獲取的生物系統設計原理設計和制造新材料和新器件。
        國外研究概況:仿生科學自上世紀發展以來所取得的成就及對其他領域的影響和滲透一直引人關注。近年來,世界各國在仿生材料和器件方面都精心制定了相應的中長期規劃,投入了巨額資金,成立專門機構進行深入研究,并取得了突破性進展。2005年11月,美國Science雜志以“Design for living”為主題組織了一個???,對仿生功能材料設計與應用的最新進展進行了一次系統的綜述,強調通過研究生物結構與功能內在聯系對開發新型功能材料的指導性作用,確立了仿生材料設計與制備作為一門新興前沿課題的重要性。美國、英國、法國、日本、韓國等國家在仿生材料與器件領域取得了一系列重要研究成果。以仿貝殼珍珠層構筑高性能復合材料為例,通過模仿貝殼珍珠層/無機交替堆砌排列的特殊結構,人工合成的有機/無機層狀復合材料極大地提高了原始材料的力學性能,而且某些材料的力學性能已超過了天然貝殼珍珠層。美國密西根大學Kotov教授研究小組利用層層組裝(layer-by-layer)技術,仿生制備了一系列具有優異力學性能的有機-無機復合材料,例如:聚二烯丙基二甲基氯化銨/蒙脫土層狀復合結構材料,聚乙烯醇/蒙脫土復合材料,聚氯酯/聚丙烯酸層狀復合材料。美國哈佛大學Studart研究小組利用自下而上(bottom-up)的膠體組裝技術,將高強度的陶瓷板與柔性生物高聚物殼聚糖通過逐層組裝得到具有優異力學性能的仿貝殼層狀復合材料。此外,在分子或原子水平揭示與生命息息相關的生命物質(包括蛋白質、核酸、酶、維生素、激素、糖、脂、抗生素等)的組成、結構及生物學性能,進而實現生命物質的人工合成,是仿生學研究的重要內容。
        國內研究概況:我國非常重視仿生領域的研究,在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出了“材料設計與制備的新原理與新方法”,并將“智能材料與結構技術”列為新材料技術的首要發展方向。在自然科學基金委的資助下,我國在仿生領域取得了一批具有較高水平的的創新型成果。中國科學院化學研究所在仿生界面特殊浸潤性的設計與制備方面取得了一系列重要研究成果,引起了國際學術界的關注,其研究工作一直處于國際領先地位,通過研究具有特殊表面浸潤性的生物體表面,揭示了生物體表面微觀結構與特殊浸潤性之間的本質關系。受此啟發,通過在固體表面筑建微米、納米以及微米/納米復合結構實現了材料表面的特殊浸潤性。最近,Nature雜志以封面報道了我國研究人員在蜘蛛絲集水機理上的突破性研究成果“蜘蛛絲的方向性集水效應”從微納米層次上揭示了蜘蛛絲集水“多協同效應”機制,并通過設計人造蜘蛛絲,實現了小尺度液滴的方向性驅動。這項研究為新型集水材料、智能催化材料的設計提供了新思路。世界范圍的仿生學專家對該研究工作的意義給予了高度評價,并受到Nature新聞網、英國廣播公司新聞網、材料研究協會等世界各大媒體和相關研究機構的關注。中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究人員通過“生物-納米-信息”的學科交叉融合,在微納傳感器基礎方面取得突破,實現了對超微量有毒物質的快速檢測,并在實際中得到應用。此外,我國在可控分子自組裝、仿生離子通道、仿生離子通道、仿生分子識別、生物醫學材料、仿生微納米結構、仿生能量轉換材料及器件等領域均取得了一系列重要研究成果。

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