本期内容简介

<正>大自然是天才的材料设计师与灵感源泉。对处于自然界"军备竞赛"中生物的典型天然武器的研究,促进新型仿生人造材料、器件与装置研发方面应用。《自然界"军备竞赛"中的材料科学》一文对此予以介绍和探讨。《给DNA甲基化检测装上GPS,看肿瘤细胞如何变花样》一文介绍了复旦大学于文强课题组独立研发的全基因组DNA甲基化检测方法及应用。量子调控是在认识量子现象和规律的基础上,通过开发新材料、构筑新结构、     

用病毒制造电池

要生产微型电池．就需要纳米电极和导线．而用金属丝来制造这些元件要求高温高压的极端环境．成本大，设备要求高。为此．负责这项研究的麻省理工学院贝尔彻教授决定向自然界学习．希望制造一种仿生材料。她最先想到的是神经纤维，动物的神经纤维末梢就是一种天然的纳米导线．它们可以传递神经电信号。由于人造神经纤维的生产成本十分高，难度特别大，他们放弃了这一计划。     

天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展

大自然中的天然生物纤维材料通常具有成分简单、结构精细、高强高韧和低摩擦系数等特性,是新材料设计的灵感源泉.仿生纤维复合材料在现代工业中有广泛的应用.揭示生物纤维复合材料的纤维素纤维丝分布、角度和密度以及界面结构、结合方式与力学性能、摩擦磨损性能之间的相互关系及机理,对相关材料仿生具有重要指导意义.树木和竹子是典型的具有优异力学性能的生物纤维复合材料,广泛被应用于各种传统建筑和舰船部件.本文对以树木和竹子为典型代表的生物纤维复合材料,及其仿生复合材料的纤维特征、力学性能和摩擦磨损性能在近期研究进展进行了综述,以期为相关仿生高强度、耐磨复合材料的设计、制备提供参考.     

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料,由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度,但是会导致"强韧性倒置"的矛盾,从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的"砖-泥"结构,进行仿生层状构型设计,是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

真鸡蛋会没落否

<正>鸡蛋是最常见的食物之一。当人们还在为选择柴鸡蛋还是笨鸡蛋、绿色鸡蛋还是有机鸡蛋而头疼时,香港首富李嘉诚参与投资的"人造蛋黄酱"也开始搅局市场。人造鸡蛋不同于假鸡蛋很多人一听到"人造鸡蛋",立刻联想到坊间流传的假鸡蛋。但事实上,人造鸡蛋并非假鸡蛋那种橡皮蛋,而是一种植物蛋。近年来,随着人们对环境、动物保护意识的逐渐提高,人造食品领域成为了一个新兴的领域。据介绍,人造食品根据仿生天然食品所含的营养成分,选取含有同类成分的普通食物做原料,制成各种各样的仿生模拟食品。而人造蛋     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

几种天然高分子泡沫体的组成、结构与力学性能

向日葵髓芯、高梁秆芯和玉米秆芯是一类具有良好力学性能的低密度天然泡沫体. 基于仿生目的, 利用化学分析方法、光学显微镜和扫描电子显微镜对三种天然泡沫的化学组分、胞体形态结构与泡沫力学性能的关系进行研究. 化学组分分析显示, 三种天然泡沫体的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素, 它们的含量之和约为干基总量的75%. 它们对泡沫性能的影响程度取决于一种与主成分含量有关的比值R, 并随R值的减小, 泡沫的回弹性下降, 而抗压强度和抗弯硬度则提高. 通过对三种泡沫芯切面泡孔结构的比较观察, 得出向日葵髓芯由一种近似十四面体形状的胞体构成. 而高粱秆芯和玉米秆芯则由一种近似六棱柱和一定数量的圆管状胞体构成, 这两种胞体形状对高粱秆芯和玉米秆芯的轴向力学性能有明显的增强作用.     

仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备方法

以碳纳米管(carbon nanotube, CNT)和石墨烯(graphene)为代表的新一代碳纳米材料，由于其优异的力学性能和独特的结构而成为金属基复合材料的理想增强体。材料复合化可以提高金属材料的强度，但是会导致“强韧性倒置”的矛盾，从而限制高性能复合材料的开发及其在工业上的应用。启迪于自然界贝壳珍珠层的“砖-泥”结构，进行仿生层状构型设计，是解决这一问题、制备轻质高强超韧复合材料的有效手段。文章就国内外仿生层状碳纳米材料增强金属基复合材料的制备工艺进行综述并提出一些思考。     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

光子学视角分析自然界中的生物结构色彩美

自然界中很多生物体呈现出五彩缤纷的生物结构色彩, 这是由于生物体的物理亚显微结构使光发生干涉、衍射或散射的光学效果, 是天然的光子晶体结构. 本文在生物结构实体测量与文献综合调研基础上, 归纳分析了蝴蝶翅色、鸟类羽色、欧泊宝石、贝类壳层、甲虫体壁等一些生物色彩形成的内因机制, 并分析了某些生物结构有利于自体生存的生理功能. 通过对自然界中某些生物结构色、形成机理及其应用研究, 可促进有利于人们生产生活的仿生科学技术的发展, 对制备新型光子晶体结构以及新型功能光子元件提供新思路.     

分子筛和吸附

从化学组成看,分子节是一种人造沸石——多水合铝硅酸盐;从结构和性能看,是一种新型选择性吸附剂。沸石是人们所熟知的无机天然矿物,它具有晶体结构。这类矿物在自然界中由于形成条件不同,作用于阴离子骨架(由Si-O和Al-O四面体构成)上的力可以不同。按照湼马尔克等的说法,如沸石阴离子骨架中三个相互垂直的力相等,则形成稳定的三度空间网状结构的晶格,否则形成层状或纤维状结构的晶格。常见的天然沸石列于表1中。在天然沸石中,当它们晶沟中的水分被除去时,纤维状和层状沸石的晶体骨架会强     

天然纤维素物质模板制备功能纳米材料研究进展

自然生物物质特殊的天然结构赋予其人工材料所难以比拟的优异功能,是构建人造功能纳米结构材料理想的模板物质.天然纤维素物质作为一种常见的天然高分子化合物,从宏观到分子层次的独特阶层结构及其在纳米层级上的多孔网状形貌可期赋予以其为模板而制备的有关人造材料独特的性质和功能.以纳米层级的精度和客体基质(无机和有机的)精确复制自然纤维素物质,能够最大限度地把其优异性能(如多孔隙结构和高内表面积)引入到相应的人造材料中去.应用表面溶胶-凝胶方法可以在纤维素物质的纳米纤维表面以纳米级别的厚度可控沉积金属氧化物凝胶薄膜,特定功能的客体物质能够进一步地表面组装于其上;继之以合适的方法去除纤维素模板成分即得到相应的具有纤维素物质阶层状结构和形貌的人造功能材料.本文简述了以此为基础设计和构建新型纳米结构材料(如金属氧化物及其复合纳米材料、聚合物纳米材料、硅和金属纳米材料等)的研究进展.以自然纤维素物质为模板或支架开发功能材料是一条获得新型功能纳米材料的简便、低成本和对环境友好的捷径.     

仿贝壳珍珠母层状复合材料的制备及应用

贝壳珍珠母是一种典型的无机/有机复合生物材料,通常位于软体动物盔甲的内层来抵御捕食者的捕食和外力的侵扰,体现了优异的力学性能,实现了强度和韧性的完美结合.它由95%(体积比)的文石碳酸钙和5%(体积比)的生物高聚物规则堆叠而成,呈现出独特的"砖泥"结构,其优异的力学性能和这种独特的结构有重要联系.因此,贝壳珍珠母常被用来作为仿生材料设计的模板,引起了化学家、材料学家和生物学家的强烈关注.本文详细介绍了贝壳珍珠母的多尺度微观结构及其增强增韧机制;以仿生复合材料中无机物的种类作为分类依据,系统地总结了仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展现状;从仿贝壳珍珠母层状材料的性能出发,探讨了其在轻质高强、阻燃、气障、传感器和超级电容器等领域的应用;简要地总结了现阶段仿贝壳珍珠母层状复合材料的发展优势以及遇到的挑战,为新一代仿贝壳珍珠母材料的研究提供依据.     

仿生水稻叶表面制备及其润湿性研究

自然界中,水稻叶表面具有对水滴的各向异性滚动特性.正是由于这种优良的特性在功能表面、微流体等领域广泛的应用前景,水稻叶仿生研究逐渐成为研究热点.虽然最近有研究者成功地仿生了水稻叶的微结构和功能,但是技术手段比较复杂,也不能进行大面积制备.采用一种二次转写的方法来制备仿生水稻叶表面.所制备的表面能精确复制天然水稻叶表面的微纳结构,并能表现出良好的静态超疏水性.在动态疏水性方面,仿水稻叶表面也体现了非常明显的各项异性滚动特性.系统的测量表明平行叶脉方向和垂直叶脉方向的滚动角分别为25°和40°.这一技术快捷、可靠、无需昂贵的设备和复杂的工艺,实现了水稻叶大面积快速制备,在仿生功能表面方面有着广泛的应用前景.     

2008年国际仿生科学与技术学术研讨会通知

由南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所、韩国建国大学先进技术研究所和吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室联合举办,南京航空航天大学承办的"2008年国际仿生科学与技术学术研讨会"将于2008年10月14～18日在南京召开.     

催化反应与吸附作用中的电子现象

工业生产发展的现阶段的特征性的特点之一是它的深刻的化学改造。用作日用品与工业原料的天然材料到处都在受到人造材料的排挤。在纺织物用的染料与药物的制造中,合成原料占据了支配的地位;在液体燃料、用作纺织材料的高分子物质、橡膠、塑料的制造中,人造材料与天然材料同时并存,而前者正在逐渐把後者排挤到次要地位。在食品与具有生物活性物质的生产中,用合成产物来替代天然产物的过程还正在开始。在一切场合下,问题并不能归结为用工业方法来简单地複制在自然界中所发现的材料,而应该归结为用远较宽广、灵活的以及在一系列指标     

仿生石墨烯纳米复合材料及其在电子器件领域的应用

日益流行的柔性电子器件要求在反复变形状态下,材料仍能保持优异的力学和电学性能.而石墨烯作为一种二维(two dimensional,2D)碳纳米片,具有独特的力学和电学性能,成为构筑此类柔性电子器件的首选基元材料.然而,如何将石墨烯纳米片组装成高性能的石墨烯纳米复合材料,仍然存在巨大挑战.天然鲍鱼壳因其内部有序规整的层状结构和丰富的界面相互作用,而具有综合优异的力学性能.这种独特的界面结构设计,为2D纳米片仿生组装提供了新的思想源泉.本文按照"有所发现,有所发明,有所创造"的学术研究思路,总结了最近几年国内外课题组关于仿生石墨烯纳米复合材料(bioinspired graphene-based nanocomposites,BGBNs)的研究进展;分析了石墨烯层间不同的界面相互作用;详细讨论了基于协同效应,仿生构筑强韧一体化石墨烯纳米复合材料的策略;重点阐述了BGBNs的拉伸强度、韧性以及电导率等基本物理性能.最后,本文也简单概括了BGBNs在柔性电子器件领域的应用和潜在的挑战,并展望了BGBNs未来的发展方向.     

自然的灵感“偶遇”先进制造技术

<正>大自然是世界上最伟大的"设计师"和"工程师",经过数亿年的进化,自然界的生物通过自身功能结构的不断演变和优化,展示了独特的生物特性.出淤泥而不染的荷叶、阳光下五彩斑斓的彩蝶、擅长攀岩的壁虎脚、广角侦察的蜻蜓复眼,这一系列巧夺天工的设计和制造均出自大自然之手.人类对这些生物功能的好奇与神往,驱使研究者对这些功能独特的生物材料展开了细致的研究,并逐渐揭开了自然界生物材料神秘的"面纱",研究证实微纳尺度的多级结构被认为是产生上述独特功能的关键.如今,人们已经对各类生物材料的微纳结构与化学组成有了很深的认识,并试图通过微纳制造技术赋予人造材     

东太平洋沉积物中自然GaN晶体的首次报道

本文报道了在东太平洋表层沉积物中发现的天然GaN晶体, 这是天然GaN晶体在自然界中首次被发现. 天然GaN晶体的确定是通过透射电子显微镜(TEM), 能量损失谱(EELS)和X射线能谱(EDS)等综合微束分析技术完成的. 该天然GaN晶体属于六方晶系, 晶胞参数为: a=b=0.3186 nm; c=0.5178 nm, P6₃mc, 其结构与高温高压实验合成的人造GaN晶体结构完全吻合. 在TEM下, 该GaN晶体呈现完好的晶体形态, 可以排除它们是异地搬运的人工合成的产物. 由于发现GaN的站位位于东太平洋CC区(克拉里昂断裂带—克利帕顿断裂带之间), 区内发育有断裂构造,受到火山作用和热液活动影响,推测其成因可能与热液活动或深部的高温、高压作用有关, 但其形成的确切温压条件和地质环境尚需进一步深入研究.     

激光结构化仿生表面

在优胜劣汰的自然法则下,生物体通过进化实现了对自然环境最大程度的适应性.向自然界生物体学习,研究其表面独特的结构和特异性功能已成为近年来研发新型材料的重要途径之一.其中,结构化仿生表面是复合材料的重要组成部分,已广泛应用于生物工程、航空航天、现代医学、国防、新能源器件及日常生活中.激光法制备结构化仿生表面是以工程仿生学为基础,采用不同激光光源加工样品表面来形成不同表面结构并实现特定性能的技术.本文主要总结了近期国内外激光结构化仿生加工领域的进展,探讨激光加工的结构化仿生表面在减黏降阻及超疏水等方面的应用,并对今后的工作进行展望.