人造仿生材料
關注創建者：觸手可及 創建時間：2019-01-21
人造仿生材料的實例教程
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組劉增乾博士帶領研究團隊在金屬所“引進優秀學者”項目資助下，根據“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構及賦予其優異性能的關鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優化設計原則，進而將其應用于人造材料體系，通過仿生設計實現人造材料的性能優化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統闡明天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，闡明了梯度結構取向與再取向對力學性能的優化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
同時，該研究組首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開 【引言】
天然酶所存在的諸多問題（比如價格昂貴，穩定性低以及難以儲存等）限制了他的使用，同時也刺激了多種人造酶的發展。在這些人造酶中，納米酶被認為是新一代的酶類似物（擁有過氧化酶活性的磁性Fe3O4納米粒子于2007年被發現）。在2013年發表的第一篇納米酶的綜述中，納米酶被定義為擁有酶特性的納米材料。受天然酶啟發，納米酶擁有很多天然酶所不具備的優點，比如價格低廉、穩定以及可大量制備。納米材料獨特的生化性質不僅賦予了納米酶多種功能，還可以實現多種設計和廣泛應用。在過去的五年中，得益于納米技術、生物技術、催化科學和計算科學的迅速發展，擁有高性能酶活性的納米材料獲得了重大進展，包括控制酶活性、解釋催化機理和擴展應用。目前為止，全世界有200多家研究機構在積極從事納米酶研究，為其發展添磚加瓦。
【成果簡介】
南京大學魏輝教授課題組在Chem. Soc. Rev.上，發表了題為"Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzyme (Ⅱ)"的綜述。這篇綜述覆蓋了各種類型的納米酶及其在生物傳感、診療和環境補救中的應用。除此之外，納米酶所面臨的挑戰和未來發展也在文章中被討論。
展開 近期英國帝國理工學院團隊發表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
注：網絡配圖
晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用。而失效的原因在于這些材料的結構——晶格整體取向單一。
同樣的現象也存在于金屬單晶中，其結構類似，內部會沿特定平面發生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網絡配圖
此次，帝國理工學院科學家模擬多晶材料，設計了具有粒狀結構的新型晶格狀超材料，使內部晶格的不同區域具有不同的取向。
研究人員發現，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發生形變時，比傳統超材料更堅固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強度可以通過縮小每個粒狀晶格區域的尺寸來增強。
研究團隊創造了在施壓后能夠扭變成不同構型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會為科學界帶來更加堅固且適合于各種應用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學家對物質基礎性狀的理解程度有關，還與新理論及相關驗證的效率有關，甚至與生產工藝、模擬工具的創新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調整某些參數，創造出符合生產、生活需求的全新材料，這就是化學家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日報
展開 模擬神經網絡的計算速度很大程度上取決于「人造突觸」的傳輸速度。
麻省理工學院的一個團隊要解決的就是這個環節。他們之前已經開發了一種人造模擬突觸，現在要做的是，搞個新材料，超越原來的老版本。
這次，他們在制造過程中利用了一種實用的無機材料，讓前文提到的可編程電阻器的運行速度達到了以前的版本的100萬倍，同時也實現了比人腦中的突觸快約100萬倍。
此外，這種材料還使電阻的能源效率極高。與早期版本的設備中使用的材料不同，新材料與硅制造技術兼容。這一變化使得在納米尺度上制造器件成為可能，并可能為整合到深度學習應用的商業計算硬件中鋪平道路。
這項研究論文已經發表在Science上。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.abp8064
論文的通信作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學系（EECS）的唐納教授Jesús A. del Alamo說：
「憑借這一關鍵發現，加上MIT.nano的強大的納米制造技術，我們已經能夠把這些碎片放在一起，并證明這些設備本質上是非常快的，可以在合理的電壓下運行。」
「該設備的工作機制是將最小的離子--質子--電化學插入絕緣氧化物中，以調節其電子傳導性。因為我們用的設備非常薄，所以可以通過使用強電場來加速這個離子的運動，并將這些離子設備推向納秒級操作」論文通信作者、核科學與工程系和材料科學與工程系的Breene M. Kerr教授Bilge Yildiz解釋說。
論文通信作者、巴特爾能源聯盟核科學與工程系教授和材料科學與工程系教授Ju Li說：
「生物細胞中的動作電位以毫秒級尺度上升和下降，因為大約0.1伏的電壓差受制于水的穩定性。"
展開 人造肌肉材料一直以來在仿生設計和柔性機器人方面都有著巨大的應用潛力。與傳統材料相比，聚合物基的人造肌肉材料擁有低密度、高彈性、易成型、低成本等優勢。通過化學結構以及聚合物構型的設計，可以實現大變形、自我修復、多重響應等綜合性能。而在所有聚合物基人造肌肉材料中，基于形狀記憶性能（SME）的形狀記憶聚合物（SMP）有著獨一無二的研究價值。因為其對于外界刺激產生的形變與刺激撤去之后的恢復行為對應著肌肉的收縮與釋放過程。近年來，大部分有關形狀記憶聚合物的研究是以熱作為刺激源，但無論是熱刺激或電熱刺激都會帶來包括直接接觸、傳熱不均等問題，從而影響驅動可控性。另一方面，在各類性轉記憶聚合物中，具有可逆循環特性的雙向與準雙向性轉記憶聚合物無疑更有前途，如半結晶聚合物（SCP）和液晶彈性體（LCE）。而傳統的半結晶聚合物雖然具有較好的延展性與自修復性能，但是其驅動響應性與可控性遠低于液晶彈性體；液晶彈性體雖然展現出良好的可控運動能力，但是較低的形變能力與脆性限制了其應用環境。
圖1. 新型人造肌肉材料的特殊縫合結構與多重響應示意圖。
針對上述聚合物基人造肌肉材料的困境，
上海交通大學劉河洲研究員和
陳玉潔副研究員團隊設計了一種
基于偶氮苯基團之間π-π堆疊的新型多重響應人造肌肉材料。復合體系以含有偶氮苯官能團的長鏈線性聚氨酯為基礎，類似針線穿過具有偶氮苯的液晶彈性體基體，形成了具有特殊縫合結構的聚合物基形狀記憶材料（圖1a）。
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來源 | Advanced Materials Technology
01
背景介紹
隨著電子器件的廣泛使用和集成電路的精細化和小型化，電子器件功率密度的不斷提高，單位時間內產生的大量廢熱將積聚在電子器件內部。大多數高精度電子器件對溫度波動極為敏感，因此對穩定的工作溫度有很高的要求。此外電子設備在運行過程中不可避免地會產生高頻電磁波的危害
近年來，隨著科學家們不斷推動機器學習的邊界，訓練日益復雜的神經網絡模型所需的時間、能源和資金正在飛速增長。「模型能建，訓練太慢」成為困擾越來越多研究人員的一個頭疼問題。
最近，被稱為「模擬深度學習」的人工智能新領域有望以更少的能源實現更快的計算。
可編程電阻器是模擬深度學習的關鍵部分，就像晶體管是數字處理器的核心元素一樣。
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
受蜘蛛絲啟發的氫鍵（
H 鍵）交聯最近已被證明可以通過添加小 H-鍵交聯劑。不幸的是，氫鍵交聯與所得聚合物的微觀結構和機械性能的相關性仍不清楚。
最近
，
南昆士蘭大學科研團隊
以肌醇 (IN) 分子作為交聯劑制備了堅固且堅韌的納米結構 PVA 復合材料。
添加 1.0 wt% 的 IN 可將 PVA 的屈服強度 (σ
y
) 提高至 148 MPa（約 31%
隨著人工智能與物聯網的快速發展，柔性電子在健康監測、人機交互及智能機器人等方面受到了廣泛關注。目前開發的柔性應變傳感材料通常情況下具有較為單一的觸覺傳感特性。發展一種具有良好傳感功能、可靠的供電能力及可調控光學特性等多功能集成的交互式柔性傳感材料具有重要意義。
水是萬物之源，地球上的萬物生存都離不開水。地球表面絕大多數的面積都由水資源覆蓋，因而孕育出各種各樣的生命。然而，這些水資源中的，淡水總量約占地球總水量的2.8%。這么有限的淡水資源，以液態，氣態和固態的形式存在于陸地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，這其中可供利用的部分非常稀少。而且，這些淡水資源，
植入式生物材料和醫療器械在臨床中有著廣泛的應用，包括組織工程支架，植入假體，藥物緩釋載體，連續血糖檢測器等。這些材料植入體內后會被宿主免疫系統識別，并被認為是外來物，從而在植入體與宿主接觸界面引起一系列免疫反應過程，包括強烈的炎癥反應、異物巨細胞的形成和纖維化，最終導致植入物被纖維膠原包裹，與宿主組織相隔離。這種材料植入后的異物反應阻斷了植入體與宿主之間的物質信號傳遞
仿生抗菌水凝膠由于其良好的生物相容性，在傷口愈合敷料方面具有很好的應用前景。目前，仿生抗菌水凝膠的研究集中在抗生素的負載、控釋，以及刺激響應性的水凝膠復合物的設計和制備。但是其較低的抗菌效率限制了后續的實際應用研究。
嵌膜水溶性寡聚電解質具有較低的毒性、較好的光穩定性、優異的抗菌能力以及不易引起細菌耐藥等優點
據空軍軍醫大學3D打印研究中心負責人曹鐵生教授介紹：“PEEK仿生人造骨材料相比于之前的鈦合金而言具有很多的優越性。首先，PEEK材料不會影響后期患者的醫學檢查，如CT、B超、磁共振等；同時，也不會對患者愈后乘坐飛機過安檢等帶來麻煩；而且，PEEK仿生人造骨材料的重量、柔韌性、合理強度也優于鈦合金。”
刺激響應性顏色變化在自然界中非常普遍。例如，包括海洋軟體動物、蝴蝶、魚、蜘蛛和花在內的許多生物已經進化出利用動態顏色變化來實現適應性偽裝、隱蔽和警報等功能。受到這些生物體變色現象的啟發，研究人員開發了多種基于聚合物薄膜、彈性體和水凝膠等軟材料的人工變色體系。其中，高分子水凝膠由于具有類生物組織的模量及本征軟、濕特性，以及良好的生物相容性，被認為是一種模擬生物變色功能的理想軟材料
