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1、仿生材料合成1仿生纳米合成的思想：生物天生具有自我识别，自我组织和自我复制的本领。将无生命的小分子组装成具有精确构造并具有特定功能的生命体。小到单细胞生物，大到复杂的人体都具有这种本领。4种基本的核苷酸（ATCG）经过有序的排列组合，可以构造出携带全部遗传信息的DNA双螺旋结构。20种基本的氨基酸，经过有序排列组合，几乎可以产生所有的生物蛋白。生物体内的许多结构单元，其尺寸都在纳米的范畴。血红蛋白的直径为6.8nm，生物膜的厚度约为6~10nm，DNA的直径约为2nm，它们都是天然形成的纳米材料。科
2、学家的任务就是要了解这种“自我识别，自我组织和自我复制”的来源，给出解释，同时尝试模拟生物界的这种自我识别和自我装配的过程。因此仿生纳米思想的产生式十分自然的。生物结构形成的基础是原子和分子之间具有范德华力，氢键，疏水作用等较弱的作用力，是这些作用力驱动了分子的自组装。其结构的稳定性和完整性是由这些因素的协同作用来维持的。基于这种思想，所谓仿生纳米合成可以理解为：从单个原子，多个分子，或单个纳米结构单元出发，通过事前设计和利用它们之间的相互作用，使其按照人的意识，凭借内在的弱作用和协同作用，自发地组
3、成一维，二维或三维的纳米材料或纳米结构，这就是纳米仿生合成的思路。纳米仿生合成的主要内容有有(1)结构生物材料的物化分析;(2)直接模仿生物体进行的材料制备与开发;(3)利用生物加工技术制备材料的力学行为分析;(4)用模仿过程中得到的新概念,进行新型合成材料的设计;(5)在新领域中这些材料和结构的应用;(6)在生物结构力学分析的指导下,对现有结构设计进行优化;(7)生物材料及结构在进化过程中,所用设计标准的分析;(8)模仿生物体所进行的实用系统的开发等。可看出,它不仅涉及到材料科学,而且与材料工程紧
4、密相联。仿生纳米合成许多方式，例如（1）仿照生物分子通过非共价相互作用，形成具有特定功能的多分子集合体，可以合成各种各样的纳米材料；（2）仿照生物膜的结构，将功能分子有序地排列起来，进而获得致密而有序的单分子膜或多层膜材料；（3）仿照生物体内骨骼，牙齿的“生物矿化”过程，可以制备出有机/无机复合材料。2新型仿生材料的研究动态2.1仿骨复合材料设计骨是一族生物矿物材料的总称。它由低密度多孔渗水组织材料组成，却有高的机械性能目前普遍的观点认为骨是一种复合材料,其主体骨架为纤维状结构,其中充填了纳米级板状
5、片状的无机晶体,因此它可看作是无机纳米材料增强的有机-无机复合材料骨的强度比以陶瓷相为主的材料高很多,有机相是增加强度的主要原因,骨的独特的多级结构特征使其具有高强度、高韧性等力学性能。所以可根据骨的特殊结构,在无机物框架中填充有机物晶片,增强材料的性能。骨除了具有像竹子的外强里弱的结构外,骨骼的两端都有哑铃状粗大的圆头,经应力分析,端部圆头具有增加抗拉性和与肌肉联结的效能,不仅增加抗拉强度,也增加断裂韧性。试验表明,哑铃状短纤维比平直短纤维复合材料具有较高的抗拉强度与断裂韧性.经理论分析得出结论:
6、随着端头半径的增大,哑铃状短纤维可以显著减少纤维端部的界面剪应力,使材料的承载性能较少地依赖界面的粘接。这种仿骨骼的哑铃状短纤维模型应用于复合材料的实际设计和制备中,可使材料内的哑铃状短纤维和粘接材料如动物的骨骼和肌肉一样协调运动,可大大增加材料的使用寿命。2.2仿生陶瓷材料设计陶瓷材料的脆性和增韧一直是研究的热点问题之一,也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题之一现在人们提出长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多项强韧化措施,也取得了积极的成果,但是这些措施很有限,没有从本质上解决陶瓷材料的
7、脆性问题。贝壳珍珠层通过简单组成和复杂结构的精妙组合获得了优良的综合性能。在珍珠层中,霞石含量为99%,以蛋白质为主的有机质不到1%。正是这些有机质将不同尺寸的霞石晶片按特殊的层状结构构成了这种复合材料,其断裂韧性比纯霞石高出3000倍以上。由此得到启发,可以用简单的成分进行复杂的结构组合,改变以前复杂成分简单结构的设计思想,这样更可以提高材料的性能.陶瓷材料的这种仿生结构设计,在很大程度上能改善陶瓷材料的脆性本质,为陶瓷材料的强韧化提供了一条崭新的研究和设计思路.。设计时可以考虑:（1）简单组成,
8、复杂结构;（2）引人弱界面层,使裂纹在弱界面层中消耗大的断裂能;（3）采用非均质设计,精细结构.等用基体陶瓷层(如四氮化三硅)模拟霞石晶片,弱界面层(氮化硼)模拟有机质层制备的纤维独石结构陶瓷的断裂韧性高达24MPa.m，断裂功高达4000J/m。根据对珍珠层进一步的研究,我国学者还设计了A1203芳纶纤维增强环氧树脂叠层仿珍珠层复合材料,这种仿珍珠层结构的断裂功比对应的陶瓷提高了两个数量采用生物矿化的原理制造陶瓷薄膜涂层可以有效地克服传统薄膜制造技术的弱点,生物陶瓷
