仿生纳米骨修复材料研究与发展

仿生纳米骨修复材料研究与发展

李玉宝

四川大学纳米生物材料研究中心 610041

一、引言

随着科学技术进步和成产力的迅速发展。人们生活水平得以提高。如何改善临床治疗和修复水平以增进患者的健康和生命质量正日益受到政府和社会的广泛关注和重视。新材料和纳米技术的飞速发展为实现这一需求提供了可能，其研究焦点之一集中在对新型生物医用材料的探索上。生物医用材料是对生物机体进行诊断、治疗及用以置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料，而硬组织修复材料一直是生物医用材料需求和研究的热点。

我国是一个拥有13亿人口的大国，也是一个骨组织修复和重建材料的需求大国，目前我国有6000万残疾人，其中致残者约800万人；由风湿和类风湿引发的大骨节病患者有数百万人；有7000万伴随人口老龄化的骨质疏松症患者；每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损、骨折和骨缺失患者人数近1000万；需要行颅颌面和肢体整形、美容的人数也在千万人以上。

目前用于骨组织修复的主要有金属、陶瓷和聚合物几大类。金属材料已成功应用于关节修复，具有强度好、加工方便等优点。但金属材料缺乏与人体组织结合的生物活性，加之过于坚硬，其弹性模量较人体骨过高，常常造成对骨的硬力刺激或对正常应力传递的屏蔽，引起骨吸收和修复失败。陶瓷类材料主要存在质脆、在体内易于断裂和发生疲劳破坏等不足，因而一般用于非应力的骨修复场合。聚合物可以具有人骨相近的模量，但不具备与骨组织形成生物键和的活性，因而通常用于对骨折或金属植入体的机械固定场合。

对仿生纳米复合骨修复和重建材料研究，有助于解决临床日益扩大的骨修复需求和现有材料品类少、性能不高、没有满意材料可供选择这一突出矛盾。

自体骨和异体骨是当前骨损伤修复广泛采用的材料。自体骨易被患者接受，但是会给患者带来新的创伤和痛苦；异体骨取材简便，但是在生物安全性上存在免疫排斥和疾病传播的隐患。所以，临床上越来越多地采用人工制备的材料作为硬组织修复材料。硬组织修复材料是生物医用材料中发展最重要的一个方向，也是市场需求最大的一个领域。

人体硬组织修复材料的研究起步较早。公元前人们就已经尝试用柳条、象牙、石头等来修复骨骼及牙的缺损。十九世纪中叶开始应用金属板针来固定骨折，这一方法沿用至今。迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料依然以金属为主。第一次世界大战的严重伤亡，确立了用不锈钢和其它金属作为矫形植入材料的地位；第二次世界大战后高分子工业的发展，促进了医用合成聚合物材料的使用。

随后一些惰性陶瓷材料也开始应用于临床，包括氧化铝陶瓷，碳素材料等。1969年，L.L.Hench研制出生物活性玻璃，并提出“生物活性”这一核心概念。Jarcho在1976年研究了羟基磷灰石（HA）陶瓷，Corjello研究了β-磷酸三钙（β-TCP）陶瓷，1984年K.de Groot研究了在金属基体上制备HA涂层的工艺，1990年后磷酸钙骨水泥的出现进一步拓展了磷酸钙生物材料的使用方法，随后磷酸钙陶瓷、涂层及骨水泥成为各国学者研究的重点之一。20世纪八十年代以来，人们开始研究材料与细胞或活性生物大分子的复合，如多孔HA陶瓷与骨形态发生蛋白（BMP）的复合以及HA陶瓷与细胞结合的组织工程材料的研究等。

对承力硬组织的修复一直是临床上的一个难点，迄今仍没有比较理想的材料可以使用，临床上迫切需要提供一类具有优异生物学和力学性能的骨组织修复材料和制品。制备生物相容性和力学相容性好，以及由生物活性的类人体组织替代和修复材料是当今生物材料研究领域中的前沿性课题，磷酸钙与天然合成高分子复合生物材料的研究向此类材料开发迈出了重要一步。生物活性磷酸钙/聚合物复合生物材料发展很快，磷灰石/胶原和磷灰石/聚酰胺极性高分子复合材料便是这种新一代生物复合材料的代表，它模仿自然骨的结构和功能，从仿生和分子水平设计和制造人体组织修复和替代材料。

生物医用材料应用于人体，必须与人体组织相接触，由此引起活性组织、细胞、蛋白等对材料产生响应。任何材料，无论如何其在体内是生物惰性的、生物活性的还是可被降解或吸收，都存在与生物体之间的相互作用，进而引发出对材料生物相容性、生物安全性和生物功能性的具体要求。植入体内的骨生物材料在人体复杂的生理环境中长期受物理、化学、生物等因素的影响，同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此医用骨生物材料必须具有良好生物相容性，良好的生物稳定性或可降解吸收性，与骨组织形成生物性键合的生物活性，足够的强度和韧性或与骨匹配的力学性能，以及良好的加工、灭菌和临床操

作性能等。

目前国际医疗器械产业的年销售额已达1800亿美元，其中近三分之一为生物医用材料所占据。骨科修复器材约占医疗器械市场的十分之一，年增长率高达26%。以美国年产32亿美元的矫形器械为例，生物材料的直接贡献率高达75%。骨修复材料已成为医疗器械的重要市场，目前全世界骨科器材市场已达147亿美元，仅美国骨修复材料的市场销售额已在30亿美元以上，美国每年的骨修复手术中约80%（近100万例）需植入人工骨材料。我国是一个拥有13亿人口的发展中国家，每年因疾病、运动创伤、工伤、交通事故造成的颅骨、颌骨、肢骨等骨组织缺损或缺失在300万人以上，因骨质疏松引起的脊柱、股骨和肢骨等的骨折患者人数也在200万人以上。骨缺损和骨折已成为影响人们健康和生活的一种严重的社会问题。另外随着生活水平的提高，人们对整形和美容的要求亦日趋迫切。对肢骨、脊柱、颌骨、颅骨等硬组织的修复一直是临床的一个难点，迄今仍没有比较理想的材料可以使用。目前国产骨修复生物材料存在数量少、品种规格不全、产品质量不高，难产与满足临床手术需要等不足。

二、仿生纳米复合骨修复和重建材料研究现状

单一材料，无论陶瓷、金属还是高分子一般都不能满足临床对硬组织修复和重建的要求，复合材料可综合各类现存在生物材料的优势。复合材料不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，在众多的骨修复材料中，羟基磷灰石/高分子复合生物材料由于能够兼具HA的生物活性和高分子的韧性而备受瞩目。特别是纳米HA和天然或合成高分子形成的复合材料，它模仿了自然骨无机-有机相的组成或结构。这种纳米复合骨生物材料的出现和发展，为获得组成和性质类似于人体组织的仿生生物材料开辟了一条新途径，为人工骨修复材料的开发与应用带来了新的希望。

成熟骨主要是由纳米HA晶体与胶原基体构成的，因此可被砍作在基体中含有纳米晶体的双相复合材料，其中纳米HA晶体对胶原起增强作用，胶原对纳米HA晶体起增韧作用，由此赋予骨良好的力学性能。骨的无机矿物组成主要是弱结晶、非化学计量的纳米HA晶体，尺寸在几个纳米至100纳米范围，在骨中约占60-65wt%，牙釉质中约占95wt%以上，其钙磷摩尔比介于1.60-1.67之间，因此模仿自然骨的组成结构和性能，将纳米HA与高分子复合，将二者性能充分结

合起来，可望得到力学性能好（强度高、韧性好），弹性模量与人骨匹配且具有良好生物相容性和生物活性的骨修复材料。

1．纳米磷灰石/胶原复合生物材料

天然骨中纳米HA晶体与胶原蛋白两者极为均匀、有序地结合在一起，因而，制备纳米HA与胶原复合材料是仿生人工骨材料研究中的热点之一。

根据仿生矿化原理，美国和欧洲已有学者采用纳米自组装化学途径研制不仅成分而且结构仿天然骨组织的纳米磷酸钙/胶原复合骨组织工程框架材料，并将其与生长因子复合。通过体外细胞培养、小动物和大动物植入实验，探讨了框架结构降解与成骨过程匹配的一些问题。该复合材料中磷酸钙/胶原层间距为11.7nm。与骨组织的7.1nm十分接近，均为一种倾斜的层状结构。纳米磷酸钙/胶原基材料的多孔结构与天然松质骨微观结构相同，有利于细胞的长入和营养物质的交换，使得该材料具有优良的生物相容性和可降解性。

Jeffrey D.Hartgerink等将分子自组装技术模拟生物矿化结合起来，制备出复合仿生骨结构，与天然骨组织相比，不但成分相似，而且在多级微结构上具有很高的仿生程度。这项研究刊登在最近出版的Science上，对制备仿生骨材料具有十分重要的指导作用。研究者先合成肽---双亲性分子复合体，再进行自组装。构造出纳米仿生胶原纤维。纤维相互交叉形成网路状基质，以模拟细胞外基质。其中肽—双亲分子复合体自组装是通过对溶液PH值的调控来实现的。复合体自组装形成的纤维直径为7.6nm，可长达几个微米。复合体的自组装过程式可逆的。TEM观察结果显示，10分钟后围绕纤维有无机物生成；20分钟后，已有结晶矿物覆盖在纤维上，但此时仍含有无定形物；30分钟后，纤维表面有板层状多晶矿物生成。EDS检测发现其Ca/P比值为1.67±0.08，与骨HA Ca/P比值相符合。

国内中国医学科学院生物医学生物学工程研究所和清华大学等单位对HA/胶原仿生骨材料开展了较好的研究。采用控制析出法制备的纳米HA/胶原复合骨材料，胶原蛋白占总量的35%，与天然骨成分接近年内，从透射电镜的暗场像测得HA的晶体尺寸为2-10nm.在家兔的颌骨与顶骨的实验性骨创上植入该种材料后，发现明显刺激和加快了骨创愈合，骨新生活跃，10周时形成骨岛连接，12周时达到骨性桥接；而同期空白对照组创区仅在边缘处有少量新骨形成，骨再生

不活跃，甚至形成骨端封闭，无进一步关闭骨创的可能。用四环素荧光示踪，放射性同位素标记和放射自显影手段观察和评价骨创的愈合情况，结果表明：HA/胶原仿生骨材料能有效促进骨组织的再生、促进和加快骨创愈合的作用明星，是一种有前途的骨缺损充填修复材料。实验中观察到该材料可同时诱发膜内成骨和软骨内成骨两种成骨机制，可能也是促进新骨生长、加速骨创愈合的原因之一。

这种HA/胶原复合材料一般用于不承重骨的代替和修复要求。而合成高分子有良好的力学性能、加工性能和生物相容性，可模仿天然骨的组成结构，将其与纳米HA复合可制备仿生复合生物材料用于骨组织的修复。

2．纳米磷灰石/合成聚合物复合生物材料

羟基磷灰石（HA）/高分子复合材料是当前硬组织修复材料是当前硬组织修复材料研究中的重要方向。HA/高分子复合生物材料可分为：HA与天然高分子材料复合和HA与人工高分子材料复合两大类。在HA与天然高分子材料复合中，一类是上面提到的将胶原等物质与HA形成两相复合材料，另一类是依据一些生物活性物质（如骨形成蛋白BMP）在体内能促进骨生长的原理，将HA与这些生物活性物质复合以提高材料的骨诱导性。HA与生物活性物质BMP等复合后，初期有较快的成骨速度，但由于在复合过程中，HA陶瓷的机械性能并没有得到改善，因而HA/生物活性物质复合体系应用较多的仍是对无负荷或低负荷骨的修复，一般应用于对应力、应变要求较低的场合。

理想的骨替代材料，应该具有高的生物相容性和生物活性，机械性能与天然骨相当或优于天然骨。国际上于20世纪90年代开始兴起对纳米生物复合材料的研究，主要集中在纳米磷灰石的合成及其高分子复合材料方面，目前报道的一般合成方法还很难获得一种分散均匀、高磷灰石含量（高生物活性）的复合生物材料。

英国William Marsh Rish大学研究了纳米磷灰石粉—聚合物复合材料的机械特性和物理化学性能。将针状的纳米磷灰石（n-HA）粉作为一种填料加入到聚乙二醇（PEG）--聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）嵌段共聚物中。共聚比为PEG：PBT ＝70：30，ｎ－HA的颗粒直径为9-25ｎｍ，长为80-200ｎｍ。研究发现，当无机粒子进入共聚比为70：30的PEG/PBT干态嵌段共聚物中时，ｎ－ＨＡ对共聚物有明显的钙化作用，提高了基体的物理机械性能，而当共聚物为湿态时，ｎ－

HA对共聚物物理机械性能的提高不明显，包覆在ｎ－HA外面的聚丙烯酸则无论共聚物处于干态还是湿态情况下对复合材料机械性能的影响都很小。Ｗ．Bonfield和M.Wang等人将高分子量聚乙烯（PE）和纳米羟基磷灰石复合，其方法是将ｎ－ＨＡ与熔融的高分子量聚乙烯在高速搅拌下混合。研究表明尽管HA在复合材料中分布比较均匀，但两相之间无化学键形成，而且力学性能较差。荷兰学者也进行了ｎ－ＨＡ晶体与Polyactive聚合物复合材料的探索研究。Thomas J.Webster 等用聚乳酸（PLA）溶液和纳米级粉末（羟基磷灰石，氧化铝，二氧化钛）共混、干燥、热压，并对复合材料进行力学和生物学性能评价。复合中采用的是干燥后的纳米级粉末，由于高的表明活性，纳米粉末干燥后已团聚成微米颗粒，影响了在复合材料中的含量和均匀分散性。国内中科院成都有机所等单位也开展了HA与聚乳酸的复合研究。

上述HA-PLA、HA-PE和HA-Polyactive等复合材料的研究，材料的性能优化往往只限于聚合物的结晶化，复合材料两相间缺乏化学键的结合，HA在复合材料中的比例大多不高，限制了复合材料生物活性和力学性能的发挥，影响了修复效果。PE与人体胶原组织缺乏相似性，这在相当程度上影响了该种材料的生物学性能。聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，但缺乏与骨的结合能力，对X光具有穿透性，不便于临床上显影观察。而且，大量临床观察发现，聚乳酸材料在体内降解速率无法控制，降解产物常常造成无菌性感染或四肢乏力。

理想的无机/有机复合骨生物材料的结构和性质应该与人体组织相类似。但已报道的一般制备方法很难获得一种分散均匀、高HA含量的生物活性材料。复合材料的性能，特别是反映生物活性的HA含量，以及抗压、抗弯强度和弹性模量等与人体自然骨还相差较大。最近几年无机/有机仿生复合材料研究取得了一些新进展，如四川大学提出的纳米磷灰石晶体/聚酰胺仿生复合生物材料，其结果是非常令人鼓舞的，复合材料的生物学性能、力学性能、加工性能和使用性能得到很大提高。

3．纳米磷灰石类骨晶体/聚酰胺副复合生物材料新体系

对于纳米HA/高分子复合生物材料而言，HA含量越高，复合材料的生物性就越好。通常，在无机/高分子复合材料体系中，当无机材料颗粒尺寸较大时，难于获得高的无机含量。因此，无机材料的颗粒越小，在高分子基体中的分布越均

匀，无机材料在高分子中的含量就越高。然而，如果缺乏牢固的两相间界面化学键合，过高的含量会造成复合材料力学性能的下降。为了保证复合材料的生物活性和机械力学性能，纳米HA和极性高分子的复合就成为选择的方向之一。

人工磷灰石晶体若与天然骨成核矿化的羟基磷灰石晶体有相近的尺寸，则有助于人体细胞及大分子对其的识别，从而可提高材料的生物活性。现有的复合人工骨，不是无机HA颗粒粗大、结晶度过高，就是有机/无机相界面结合不牢、复合不均匀，从而影响了材料力学和生物效能的发挥。

为了克服现有骨修复材料的不足，开发一类能满足临床使用要求的高性能骨修复材料，本文作者提出了一种新的仿生无机/有机复合骨生物材料新体系。无机纳米HA类骨晶体采用1992年作者提出的水热合成方法制备，此种磷灰石晶体在形态、尺寸、组成、结构和结晶度上与人骨磷灰石晶体类似，该种纳米类骨HA晶体是制备仿生复合骨生物材料的基础。使用该种纳米类骨HA晶体是为了在复合材料体系获得高的HA含量，由此获得与骨组织生物键合的高生物活性，同时对有机相起到增强作用。有机相选择了极性聚酰胺高分子。聚酰胺高分子具有与胶原类似的分子和基团结构，生物相容性好，其极性基团有利于与纳米HA晶体形成牢固的化学界面键合，从而确保纳米HA晶体在复合体系中的高含量，以及复合材料与骨匹配的力学性能，为了防止纳米HA晶体在干燥后团聚成微米颗粒，影响材料的复合性能，在复合材料制备上专门设计了“常压共溶复合”新工艺，直接使用水热合成的纳米HA晶体浆料，在常压下与聚酰胺溶液形成了均匀、高比例复合。

透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）分析表明，纳米磷灰石晶体在复合材料中以纳米级尺寸均匀分布于PA聚合物基体中，两相的相组成未发生变化。红外光谱（IR）、激光拉曼光谱和X光电子能谱( XPS)分析表明，在纳米磷灰石与聚酰胺之间形成了化学性界面键合。力学侧试表明，该种纳米复合生物材料具有与人体骨一致的力学性能。生物学实验表明，该种复合材料具有优良的生物活性，与自然骨形成了牢固的生物性键合。在软组织植入中还发现在复合材料周围有骨和软骨形成，即骨诱导和软骨诱导特性。由此可见，纳米磷灰石晶体/聚酰胺复合材料具有优良的生物相容性、生物活性和与骨匹配的力学性能，是一种可用于承重部位骨修复和替代的新型高性能生物材料。

三、发展趋势预测

纳米无机/有机仿生复合骨生物材料的构想源于天然组织。实际上人体绝大多数组织都可视为复合材料，它们都具有良好的力学性能。制备仿生纳米磷灰石/高分子复合材料已成为发展新型骨修复和重建材料的核心领域和方向。

制备仿生纳米磷灰石/高分子复合生物材料时，还应特别注意仿生性能的有效利用，不能片面模仿人体组织，为仿生而仿生。在开发新型骨修复材料时，也应明确临床应用目的，正确认识修复与重建的辨证关系。

纯粹从仿生角度看，纳米磷灰石与胶原复合材料是最好的仿生骨修复材料，所以国外于80年代就对这一体系进行了开发，但至今临床应用十分有限。目前国内开发的同体系材料也开始进入临床试用阶段。主要存在的问题是：磷灰石与胶原的复合材料成型困难、热稳定性差，力学强度比人体自然骨低，一般用于对不承力骨部位的修复；胶原主要来源于动物组织，使用前不易对动物胶原组织的疾病、病毒等进行检测（因为对动物个体进行检测较为困难，费用也较高），存在着难以进行严格的动物筛选和控制以及胶原提取和纯化，从而导致疾病传播和免疫排斥反映等问题。

生物材料用于骨缺损或缺失修复，其作用可划分为两类。一类是单纯的修复，材料并不参与组织的重建，如金属关节和用于固定的金属钉、板以及有机玻璃（PMMA）颅骨板等。另一类是材料在修复组织的同时，还参与或促进骨组织的重建，如磷酸钙材料，载有BMP生长因子的材料等。纳米HA与胶原和聚酰胺构成的复合材料也属于后一类。不同之处是胶原在修复初期较难提供临床所需的力学支撑，在体内被降解吸收时，材料和组织的界面处于动态过程，新生组织难以与其实现牢固结合，因而无法实现对要求承力或较大面积的骨缺损修复。新骨的组织重建受生物体自身的控制，而且有几何空间上的限制。对大的骨缺损腔，胶原被降解吸收后，新生骨组织并不能完全替代其留下的空间，且胶原的降解吸收速度也与新骨生长的速度难以一致，这对骨修复和重建是不利的。

纳米HA/聚酰胺（PA66）复合体系与HA/胶原体系则不同，在骨缺损修复的初期可提供足够的力学支撑，在新骨重建的过程中，纳米HA晶体的仿生结构便于被人体组织和细胞识别和利用，从而提高了骨创的愈合能力。纳米HA为细胞繁殖、蛋白粘附和新骨的生长提供了附着点。聚酰胺与胶原有类似的结构，含有

极性酰胺键、羧基以及羟基基团，使其能引导组织细胞生长，促进细胞生成类骨质进而矿化，加快骨创的愈合，最终形成由纳米HA/聚酰胺复合材料的新骨共同构成的具有生命力的、可长期发挥作用的活的重建骨。

制备生物相容性、力学相容性和生物活性好的硬组织修复材料是当今国际生物材料研究中的难点和热点，纳米磷灰石/聚酰胺高分子组成的复合材料已向此类人体组织材料迈出了重要一步。

纳米羟基磷灰石（HA）是构成人体硬组织的主要无机质，它具有良好的生物相容性和生物活性。其表面带有极性，与人体细胞、多糖和蛋白质能以氢键结合，与机体组织有较强的亲和力，它能起到钙盐沉积的支点作用，诱发新骨的形成，并直接和人体硬组织形成键合，在骨骼修复中发挥着重要作用。纳米磷灰石/聚酰胺复合材料既有纳米HA赋予的高生物活性，又具有聚酰胺高分子的良好的强度、韧性和可加工性能，是一种应用前景广阔的骨组织修复和重建生物活性材料。

目前我国开展的仿生纳米骨修复和重建材料研究，主要有纳米HA/胶原和纳米HA/聚酰胺两类。今后开发的重点应该放在对HA/胶原复合材料力学性能的改善和安全性保障方面。对纳米HA/聚酰胺复合材料则应针对临床复杂的各种骨修复场合加强起修复体设计和规格品种的完善上。另外还应加强对其他新型骨修复和重建材料的研究，如耦合生长因子或药物的纳米HA/高分子复合生物材料研究，表面生物活性纳米复合材料的研究，可注射骨折固定和修复的纳米复合生物材料研究等。

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纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用

纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用中国绿色节能环保网点击数：269 发布时间：2010年3月22日来源：中国节能住宅网 纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。 近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果,现分类介绍如下: 1纳米技术在建筑涂料中的应用 涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料),国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。 同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用,不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起

纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

耐磨材料的现状及未来发展趋势

耐磨材料的发展现状及未来发展趋势 正因为这些由本征特性TC、HC2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高TC超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。 能源材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40％。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50％用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。 生态环境材料生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOX、NOX催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。 智能材料智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的耐磨材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。 2、国内耐磨材料发展的现状和差距 我国非常重视耐磨材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种耐磨材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在耐磨材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土耐磨材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等耐磨材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢

纳米科学与技术的发展历史

纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔

纳米材料科学与技术

聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress

仿生材料研究的设想及其应用

仿生材料 仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料学是仿生学的一个重要分支，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。受生物启发或者模仿生物的各种特性而开发的材料称仿生材料，仿生材料在21世纪将为人类做出更大的贡献。 我们在现实生活中接触过许多动物与植物,它们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成,例如能够跳动80 年都不停止的人类心脏；几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看,仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能,简直不可思议。动植物为了铸造自己身体所用的材料在有机系列里有纤维素、木质素、甲壳质、蛋白质和核酸等等,其构造非常复杂。在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同。举几个简单的例子:海鳗的发电器瞬间可以发出800 伏的电压,足以电死一头大象,但是它的发电器不是金属等导电器材,而是蛋白质的分子集合体;深海里有一种软体动物,其身体无疑也是由细胞材料所构成,但是却可承受很高的海水压力而自由地生存着。这些例子说明,许多生物体的某些构成材料是我们完全不知道的,这些材料大多数是在常温常压的条件下形成,并能发挥出特有的性能。当人们对这些生物现象有了充分的理解之后,把它们应用于材料科学技术方面,就形成了仿生材料学。因此,仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多,可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。进行仿生材料的开发与研究必须要学习和了解许多相关的专门知识,例如,高分子化学、蛋白质工程科学、遗传学、生物学以及与其关联的技术等等。 例1.人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 例2.人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解

纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法

纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中

骨组织修复材料

生物材料——骨组织工程讨论组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上。研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。 组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。 骨组织构建 构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。 生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、

骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示： 2个月时，复合人工骨修复缺捐赠的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。 目前，用组织工程骨修复骨缺损的研究，已从取材、体外培养、细胞到支架材料复合体形成等都得到了成功。有人用自体骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物修复兔下颌骨缺损，结果表明：术后3个月，单独珊瑚组及空白对照组缺损未完全修复；珊瑚-骨髓组和珊瑚-rhBMP-2组及单独骨髓组已基本修复了缺损；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物组在2个月时缺损即可得到修复。我们用骨基质成骨细胞与松质骨基质复合物自体移植修理工复颅骨缺损的动物实验，也取得了满意的治疗效果。 带血管蒂的骨组织工程是将骨细胞种植于预制带管蒂的生物支架材料上，将它作为一种细胞传送装置。我们将一定形状的thBMP-2、胶原、珊瑚复合物植入狗髂骨区预制骨组织瓣，3个月时，复合物已转变成血管化骨组织。

仿生机器人的研究现状及其发展方向

第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周　华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘　要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1　仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2　仿生机器人的国内外研究现状 2.1　水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

仿生材料研究与进展 王一安 刘志刚

齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日

仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。

纳米材料与技术作业

纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产

仿生学现状及其对科技发展的影响

2009 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:机械工程专题讲座 学生所在院（系）:机电工程学院 学生所在学科:机械设计及理论 学生姓名:李鹏飞 学号:08S008257 学生类别: 考核结果阅卷人

仿生学现状及其对科技发展的影响 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有……性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机……。1960年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始。 仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。 现状 仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议，第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳

简述纳米材料的发展历程

简述纳米材料的发展历程 纳米材料问世至今已有20多年的历史,大致已经完成了材料创新、性能开发阶段,现在正步人完善工艺和全面应用阶段。 “纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向，日前正待开展中试放大研究。 该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产，正在建设规模化生产线。 联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应 用研发和产业化，该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升，带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

纳米技术发展史

纳米技术发展史 【摘要】纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。 【关键词】发展纳米技术纳米材料 纳米技术基本概念 纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 2、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。 ３、纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。 纳米技术的发展史 1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小 的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原 子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 20世纪70年代科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家 唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工 1982年科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，揭示了一个 可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年7月第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科