仿生材料
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
仿生材料的實例教程
大自然帶給了材料學家們無限的設計靈感，從荷葉、竹、木等的微觀多級結構及特殊功能，到具有突出力學性能的貝殼珍珠母層、蜘蛛絲，以及具有水下超強粘附的貽貝蛋白，一系列高性能及功能化聚合物仿生材料受此啟發，相繼被研發并得到實際應用。壁虎、蜥蜴等動物腳趾因其可以在物體表面產生強粘附并可輕易快速脫附而受到了人們的廣泛關注。研究表明，這一獨特的可逆粘附能力主要依賴于動物腳趾表面精細的多級剛毛結構，并基于范德華力及毛細作用力等得以實現（圖1a）。受此可逆粘附原理啟發，過去二十年，研究人員重點圍繞物理結構設計制備了一系列性能優異的仿生可逆粘附材料，并在精密器件轉運、智能機器人、醫療等領域展現出廣闊的應用前景。由于仿生粘附材料展現出的可逆特性及范德華力普適性相互作用，其在空間微重力、真空環境及多種材質表面均能良好發揮其可逆粘附功能，因此在空間技術，如航天器及裝置在軌操作、艙內及艙外機器人行走策略、空間碎片以及在軌飛行物捕捉等領域展現出很好的應用前景。近年來，美、歐等研究人員圍繞這些應用展開了先期探索工作（圖1b）。然而，空間在軌高低溫及輻射等極端環境條件對聚合物基仿生粘附材料的使用性能將產生顯著影響，開發適用于空間環境的仿生可逆粘附材料，將對該類材料走向空間實際應用，促進在軌服務技術的發展和革新具有重要意義。
圖1 具有可逆粘附能力的生物微結構及其仿生材料空間應用示意。（a）不同尺度下壁虎腳趾表面微結構形貌（圖片來源：PNAS, 2005, 102 (2), 385-389）；（b）仿生可逆粘附材料用于空間站外部檢查機器人構想圖（圖片來源：A. Parness, etc., presented at AIAA SPACE Conf. and Expo.
展開 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 美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 有別于傳統熱力學自組裝的方式，模擬這種化學能量驅動的耗散自組裝是真正構造仿生材料的基礎。
圖1. 化學能驅動的競爭型非平衡主客體系統策略示意圖
北京林業大學青年教師郝翔長期致力于化學能驅動的非平衡態系統材料研究，在前期相繼實現ATP能量驅動的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學能驅動的非平衡態流體的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發了一類ATP驅動的仿生“競爭”型非平衡態主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統能量分子-ATP雙重角色：化學能量單元和“耗散”型競爭客體，實現了ATP驅動的主客體非平衡態系統的建立，并成功將此策略運用于化學能驅動的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環糊精結構糖單元（β-CD），使其對能量分子ATP具有非常高的結合作用，結合常數達到106 M-1；而環糊精結構糖單元對通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結合常數只有104 M-1。利用模型化合物實驗可以發現，當ATP分子加入到β-CD/ADA中時，ATP會迅速破壞β-CD/ADA的結合而以“鳩占鵲巢”方式占據主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產物如ADP或者AMP卻無法實現對β-CD/ADA結合的破壞（圖1）。
展開 更為重要的是，單邊缺口梁實驗證實，初始的可修復材料為脆性斷裂的材料，而制備的仿生復合材料去表現出韌性斷裂的特征，其斷裂韌性也提升了54.3倍；電鉆打孔實驗證實，可以輕易的仿生復合材料表明打孔，而初始的可修復材料則無法打孔，這也說明了兩者的斷裂特征迥異。對比實驗證實，作者制備的仿生復合材料的增強增韌效果遠高于目前報道的復合材料。
仿生復合材料的增強增韌機理研究
圖3 仿生復合材料的的斷裂SEM和有限元模擬實驗
作者通過SEM和有限元模擬實驗研究了仿生復合材料的外援增強增韌機理。對于初始的可修復聚合物缺口試樣，其裂紋沿缺口尖端直線增長，從而導致災難性的脆性斷裂行為；相反的，在仿生復合材料中，其主裂紋沿著曲線軌跡擴展延伸，保證裂紋難以直接穿透整個聚合物基體。仿生復合材料的裂紋演化過程包含多種的增韌機制，包括裂紋偏轉、界面分層、裂紋分支橋接和界面摩擦。有限元模擬實驗表明，對于初始的可修復聚合物材料，其單邊缺口梁實驗的最大應力集中在裂紋尖端；對于仿生復合材料，其最大的應力位于互聯的MXene骨架中，故其裂紋尖端的應力遠低于初始的可修復材料。
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全球首發的自適應柔性機器人，憑借類肌肉驅動材料與仿生神經網絡核心技術，能靈活適配復雜場景，精準完成多維度作業；硅谷頂尖實驗室帶來的多模態具身智能系統，融合視覺、觸覺、聽覺等多維度感知能力，構建出前所未有的人機環境協同交互體驗。
6.應用前景展望
隨著復合材料在以下領域的深入應用，Digimat的價值將進一步凸顯：
綠色能源：風電葉片大型化設計
電子科技：5G設備輕量化封裝
醫療設備：仿生復合材料開發
綜合評分：9.2/10（復合材料仿真領域Top3解決方案）
*注：本文測試數據基于Digimat 2023.1版本，硬件配置為Intel Xeon 6248R+128GB RAM*
本章受紅鮑魚殼體的“漿砌層合”微結構啟發，如圖3-1通過建模軟件ABAQUS設計了不同結構的漿砌層狀仿生復合材料，使用非線性有限元程序ABAQUS模擬了試樣在三點彎曲沖擊載荷下的動態斷裂行為，本文主要探討了硬質材料長寬比、云母層數量對材料斷裂性能的影響。
值得注意的是，石墨烯含量為0.42 wt%的仿生復合材料在2500 ℃退火后，EMI屏蔽性能提高了65 dB(圖8d)。這些石墨烯/ PDMS復合材料，即使在極低的石墨烯負載下，也表現出高性能的電磁干擾屏蔽。環氧樹脂也可用來填充石墨烯氣凝膠，形成復合材料。
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結論
自20世紀90年代以來，仿生材料的發展一直是引人注目的，并滲透到各個領域。
作者信息
第一作者大連理工大學博士研究生劉璐，目前主要研究方向為仿生材料和熱管理。
唐炳濤為本文的通訊作者，現任大連理工大學教授，國家級人才，長江學者特聘教授。
她的研究重點是仿生軟材料、結構聚合物及其物理、機械、電學和光熱性能，在生物醫學、能源、環境和機器人領域有著廣泛的應用。
英國諾森比亞大學Ben Bin Xu教授為本文的通訊作者、英國諾森比亞大學機械與建筑工程系材料與力學教授。本獲得了博士學位。2011年在愛丁堡赫瑞瓦特大學攻讀機械工程專業，2011-2013年在美國馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校攻讀博士后。
該仿生復合材料的簡單制備和可擴展性為高性能復合材料的設計和制備開辟了新的道路。
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
高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設計、材料基因組設計、多材料功能梯度結構、超材料結構、仿生材料及其結構、具有電磁屏蔽功能的復合材料結構、材料結構功能一體化設計、3D打印納米結構、軸向立體光刻打印、4D打印智能材料、活體細胞打印、極端環境下的增材制造及應用等創新型、交叉性技術研究進展明顯。
