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天然生物材料的微纳仿生制造现状及展望

经过漫长的生物进化和自然选择,天然生物材料利用温和的生长条件和常见的有机或无机矿物质,通过自下而上的合成与组装,不断优化材料的组织结构和成分构成,实现了优异的综合性能,以适应不断变化的外部环境。例如,贝壳的多尺度微纳米层状“砖-泥”式结构使得它们不仅具有高强度,而且具有良好的断裂韧性,远远超过单一的常规材料;壁虎脚掌上特有的微纳米絨毛及其细毛分支使它能攀爬极度平滑或垂直的表面,甚至越过光滑的天花板;荷叶表面的微米“突起”及其蜡质涂层使得它出淤泥而不染(自清洁效应);孔雀羽毛的二维周期性光子晶体结构使其颜色绚丽多姿且富有变化。近年来,为了揭示和探索这些天然生物材料复杂而巧妙的结构和优异性能背后的奥秘,全球众多科学家和工程师们已开发出了多种表征仪器和模拟方法以加深人们对大自然鬼斧神工的进一步认识和理解。同时,还发展了多种制备方法来优化设计和制备类似的仿生材料,取得了令人瞩目的进展。

天然生物材料的微纳仿生制造现状及展望

近日,德州农工大学机械系张超群博士(现已入职华南农业大学材料与能源学院)、Daniel A. Mcadams II教授和Jaime C. Grunlan教授等合作在Advanced Materials上发表综述性文章(Nano/Micro‐Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures, 2016),系统概述了4种典型的天然生物材料(贝壳等结构材料,壁虎脚掌等生物胶材料,荷花等超疏水材料,蝴蝶翅膀等生物光子材料)的独特微纳米层状结构及其优异的性能,巧妙总结归纳了天然生物材料的成分-结构-性能之间的构效关系,重点阐述了这些仿生材料的微纳米制造技术(层层自组装、化学气相沉积、纳米压印等)。并对这些材料的应用及其未来的发展方向进行了展望,为生物仿生材料的发展提供新的研究思路和理论依据。例如,目前一些仿生材料的单一性能虽然已经媲美甚至超越天然生物材料,但制备条件比较苛刻且成本较高,因此进一步在温和的条件下利用简单原材料大规模生产多功能智能仿生材料成为一大挑战。

相关工作发表在Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.201505555)上。

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