仿生纳米材料的设计与未来

摘　要：自然合成了大量结构复杂、性能优越的有机、无机或有机无机杂化材料。些材料与常规材料相比有着特殊的物理性质，从而造就了生物体各种奇异的功能。随着纳米技术的发展，研究发现许多生物体的特殊能力都与纳米技术息息相关。自然是一先进的合成工厂，不断制造出具有各种奇异功能的生物体。而这些功能的实现，往往要依靠基本物质单元在微尺度上的有序或无序组装。对这些材料的探索和研究，为人们在微尺度上的仿生开辟了新的道路。本文针对仿生纳米材料的研究近况，展望此类材料的设计与未来发展趋势。

关键词：生物启发；仿生矿化；仿生；纳米材料



1　纳米技术在自然界中的应用

进入21  世纪以来，人们在科技上的进步突飞猛进。伴随着电子显微技术的发展，人类对自然界的直观探索逐渐从宏观走向了微观。自然界的创造

力总是令人惊奇。研究发现，自然界中无数特异现象都与纳米息息相关。大自然通过优胜劣汰选择留下来的生物有着人类无法想象的复杂性。在微观尺度上的观察发现，很多生物体令人惊奇的能力都与纳米结构相关。

通过对贝壳、牙齿、骨骼等的研究发现，这些生物体中最坚硬的部分，其主要组成为各种矿物质，如碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石等。单从这些矿物本身来看，它们没有如此高的强度、硬度或韧性，但在生物体中这些性质却得到了极大的增强。进一步的研究发现，纳米尺度上的有序组装使其性质发生了巨大变化。以鲍鱼壳为例，经研究发现，其内壳珍珠质组成为碳酸钙约占95％，剩余有机物约占5％。这些碳酸钙呈有序的堆叠结构。这种结构与建筑上常用的砖泥结构异常相似，它们以碳酸钙晶体单元为“砖”，以有机物，如蛋白质等为“泥”，通过层层堆砌，最终形成宏观上的贝壳[1-3]。研究发现，这种结构比普通碳酸钙矿物有着高的强度和硬度，可以很好地分散外界的压力，从而起到保护和支撑生物体的作用。



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