绿色化学导论 论文 徐晟

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1、华南理工大学材料科学与工程学院2012级本科生“IntroductiontoGreenChemistry”课程论文专题：Bio-inspiredDesignsoftheChemicalSyntheses,Processes,ChemicalsandMaterials学生姓名：徐晟学号：201230301411所在学院：材料学院提交日期：成绩：任课教师：评语：仿生材料摘要：仿生学诞生于二十世纪60年代，是研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，多学科交叉的新兴学科。本文主要从材料仿生的：

2、成分仿生，结构仿生，过程仿生，智能仿生与综合仿生这几大方面研究受生物启发的功能材料，加深对仿生材料的认识，促进仿生材料的发展。关键词：仿生材料；成分仿生；结构仿生；过程仿生；智能仿生1前言生物体经过20亿年的选择、进化、磨合和积累，形成了微观复合、宏观完美的结构，是传统材料所不能及的。在现代生活的各个领域，仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。人类社会文明的发展和材料科学技术的发展紧密相关。近年来，随着相关学科的发展和现代技术的进步，仿生材料学得到了飞速的发展[1]。从材料学角度认识、模仿或利用某些生物体的显微结构、生化功能或生物合成过程来进行材料的设计、

3、制造，以便获得具有特殊功能或优异性能的新材料是材料仿生的主要内容，也是设计制造新型复合材料的有效途径。本文主要从成分仿生、结构仿生、过程仿生、功能仿生、智能仿生与综合仿生这几个方面介绍仿生材料的设计。2材料仿生的定义仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimeticmaterialsscience),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、

4、生物学、物理学等学科的交叉[2]。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。2.1成分仿生成分仿生就是模仿天然生物材料的成分来制备块体材料或表面膜层材料。是最简单、最直接的仿生。 2.1.1羟基磷灰石。典型的例子是生物骨骼的成分仿生。骨骼是支撑人体的关键器官，因而骨骼破损的修复是现代医学的重要任务之一。众所周知，骨骼的主要成分是以羟基磷灰石为主的磷酸钙，因此很自然的一个仿生思想就是制造羟羟基磷灰石(Hydroxylapatite,HAP)其化学成份与生物组织如牙齿的无机

5、成份相似,具有好的生物相容性已被广泛用于植骨和盖髓研究[3]。HA生物相容性好，但很脆，其断裂强度与普通玻璃相当，而钛合金生物相容性不及HA，但断裂韧性是它的40倍，把两者结合则可达到人工牙、人工关节、人工长骨等医用植入物性能要求。制备HA膜的方法主要有：等离子喷涂，离子镀，磁控溅射，射频溅射，脉冲激光沉积，电泳沉积，化学沉积，电化学沉积，金属-有机物CVD，溶胶-凝胶法，热等静压烧结等。2.2结构仿生天然生物材料几乎都是复合材料，不同物质、不同结构、不同增强体形态和尺度的复合使得天然生物材料具有远远超过单一常规材料的综合性能。模仿天然生物材料特殊精巧的结

6、构特征或者从中得到启发而制备出类似结构特征的材料的仿生设计，称为结构仿生。结构仿生的目的就是研究天然生物材料这些天然合理的复合结构及其特点，并用以设计和制造先进复合材料[4]。2.2.1仿生增韧陶瓷材料陶瓷材料的脆性和如何增韧是其应用的关键问题之一,也一直是研究的热点人们提出过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,但仍没有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题[5]。自然界中贝壳珍珠层的组成中虽然近95%是普通陶瓷CaCO3,但其综合力学性能优异,特别是断裂韧性,比单相CaCO3陶瓷高2~3个数量级。这说明贝壳珍珠层所具

7、有的优异力学性能与其独特的生物结构有密切关系。矿物学研究表明[6,7],贝壳珍珠层是由文石、晶片形成增强相的层状复合材料,占总质量1%一5%的有机质填充于无机相之间"层与层间的有机质具有三明治式夹心结钩,外夹憎水的丝心蛋白质和亲水的酸性蛋白质(见图1)。这种文石晶体与有机基质交替叠层的排列方式是抗脆断的关键所在,由于有机基质层强度相对较弱,易于诱导裂纹在其中偏转,从而阻止了裂纹的穿透扩展。因此,可以把珍珠层的结构抽象为软硬相交替的多层增韧结构,正是这种结构组合赋予了贝壳珍珠层极佳的断裂韧性。借鉴贝壳珍珠层构造,改变以往复杂成分、简单结构的陶瓷材料传统设计思

8、想,采用简单组成、复杂结构并引人弱界面层,使得裂纹在弱界面层中反复