大自然给予的启发_木材仿生科学刍议_李坚

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1、大自然给予的启发——木材仿生科学刍议李坚，孙庆丰（东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040）[摘要]本文有针对性地列举了自然界某些生物体所固有的智能行为和独特的自然属性；由自然现象给予的启发，阐述了构建木材仿生科学的理论基础；提出了依据生物学原理和现代技术，赋予木材奇异功能或创生新型复合材料的发展空间。[关键词]木材；仿生科学；超疏水；气凝胶；智能；界面[中图分类号]S781；TB332[文献标识码]A[文章编号]1009-1742(2014)04-0004-09生结构的智能木材或复合材料，解决木材资源不足1前言和使用中的种种限制，实现木材的自增值性、自修自然界的生物体经过数十亿年

2、的物竞天择、优复性、自诊断性、自学习性和环境适应性，使得木材胜劣汰，其结构与功能已趋完美，实现了宏观性能从更高的技术层次上为人类的文明进步服务。[1]和微观结构的有机统一。从大自然给予的启发，2仿生学概要向自然界学习，模仿自然界生物体功能的某一方面，构筑相似甚至超越自然生物体功能的新型仿生人类很早就有了仿生的思想。《韩非子》曾记载材料，完成智能操纵过程，进而获得高效、低能耗、古代工匠用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”，这可环境和谐且快速智能应变的新材料及其新性质，研以认为是人类仿生学的先驱，也是仿生学的萌芽。究和构筑高性能的仿生智能材料是人类发展进程虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前，但一

3、[1]中的一个永恒课题。般把1960年9月由美国空军航空局在俄亥俄州空木材是一种天然的有机复合材料，具有结构层军基地戴通召开的第一次仿生学会议作为仿生学次分明、构造复杂有序、分级结构鲜明、多孔结构精正式诞生的标志。仿生学一词最早是由美国人斯细等特性，同时具有各向异性、低密度、高弹性、机蒂尔（JackEllwoodSteele）取自拉丁文“bio”（生命械性能优良和来源丰富、可再生、清洁等特点，为木方式）和词尾“nic”（具有……性质的）合成的，他认[2]材仿生奠定了广阔的空间。木材仿生智能科学与为：仿生学是研究模仿生物系统方式，或是以具有应用技术研究是木材科学发展中的一个具有里程生物系统特征

4、的方式或类似于生物系统的方式建碑意义的研究领域，它使木材从更微观的层次师法造技术系统的科学。后来又出现了biomimetics一[3]自然，利用从生物体获得的启示为木材的功能拓展词，意思是模仿生物；近年来bioinspired一词逐渐和高值化开发提供新的研究思路，通过构筑具有仿为研究者们所关注，意为受生物启发而研制的材料[收稿日期]2014-01-20[基金项目]国家自然科学基金面上项目（31270590）[作者简介]李坚，1943年出生，男，辽宁阜新市人，中国工程院院士，研究方向为木材功能性改良及生物质基复合材料；E-mail：nefulijian@163.com4中国工程科学[4]或进行

5、的过程。路甬祥定义仿生学为：研究生物色至白中带黄，长为2~4cm。棉花纤维是唯一的天系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为然纯净纤维素材料，纤维素含量高达95%~97%。工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成棉花纤维由直径为100~200nm的纤丝组成，纤丝交的技术科学。错排列在一起，构成细胞壁的网状结构。仿生棉花随着材料学、化学、分子生物学、系统生物学以轻质飘逸特性，可将其用于生物质废弃资源（秸秆、及纳米技术的发展，仿生学向微纳结构和微纳系统椰壳、甘蔗渣等）高值化开发利用的研究，如分离制[11]方向发展，实现结构与功能一体化将是仿生材料研备高纯纤维素、轻质高强气凝胶等。Ols

6、son等以究前沿的重要分支。开展仿生结构、功能及结构-纳米纤维气凝胶为模板，制备得到磁性气凝胶纳米[12]功能一体化材料的仿生研究具有重要的科学意材料。Korhonen等以纤维素纤维为模板，获得义。它将认识自然、模仿自然、在某一方面超越自TiO2气凝胶，该气凝胶在传感器、药物释放、载体等然有机结合，将结构及功能的协同互补有机结合，领域具有很好的潜在的应用前景。浙江大学高超[13]并在基础学科和应用技术之间架起了一座桥梁，为课题组制备出目前世界上最轻的气凝胶。本课题新型结构、功能及结构-功能一体化材料的设计、制组以农林业废弃物为原料制备了可漂浮在花瓣上备和加工提供了新概念、新原理、新方法和新途

7、径。的纤维素基气凝胶，有着优良的弹性和吸油能力，与棉花的轻柔飘逸特性有着类似之处。仿生棉花3大自然给予的启发的轻柔飘逸特性制备功能化气凝胶，探究纤维素气3.1荷叶的滴水不沾特性凝胶的形成工艺及机理，调控纤维素气凝胶的孔隙荷叶的滴水不沾特性是自然界中植物表面超结构，制备疏水亲油性和具相反物性的纤维素气凝疏水性能的典型描述，该特性与荷叶表面的独特结胶，为利用可再生的纤维素资源获得高新产品提供[5，6][14]构密