仿生合成 science

新型仿生催化剂的设计与合成随着科学技术的不断进步，催化剂作为一种重要的化学工具，被广泛应用于各种化学反应中。

为了提高催化剂的性能和效率，科学家们开始研发新型的仿生催化剂。

仿生催化剂是以生物体内的催化系统为借鉴，通过合成材料设计和合成出来的催化剂。

本文将探讨新型仿生催化剂的设计与合成，并探讨其在实际应用中的前景和潜力。

首先，新型仿生催化剂的设计需要从生物体内的催化系统中获取灵感。

生物体内的催化反应往往高效、选择性好，并且能够在温和的条件下进行。

通过研究生物体内催化系统的结构和工作原理，可以为催化剂的设计提供有价值的参考。

例如，叶绿素是一种在光合作用中起到催化作用的重要催化剂。

研究人员发现，叶绿素的结构中含有大量的金属原子，这些金属原子能够提供催化反应所需要的活性位点。

因此，可以通过合成金属有机配合物来设计新型的叶绿素仿生催化剂。

其次，新型仿生催化剂的合成需要通过合理的方法和途径来实现。

合成方法既要考虑催化剂的活性和稳定性，还要考虑合成的成本和可扩展性。

当前广泛应用的合成方法包括化学还原法、水热法、溶胶-凝胶法等。

以金属有机配合物为例，可以使用溶胶-凝胶法合成出高活性的催化剂。

在此方法中，将金属离子与有机配体在溶液中进行配位反应，并通过凝固和热处理来形成固体催化剂。

这种方法不仅可以控制催化剂的结构和形貌，还可以在制备过程中引入其他功能组团，从而提高催化剂的性能和选择性。

新型仿生催化剂不仅在理论上有巨大的潜力，而且在实际应用中也取得了一些重要的突破。

例如，氧化铁纳米颗粒是一种仿生催化剂，在水处理和环境修复中得到了广泛应用。

研究人员发现，氧化铁纳米颗粒具有良好的吸附性能和催化活性，可以有效地去除水中的有机污染物和重金属离子。

此外，新型仿生催化剂还在催化加氢、催化氧化等领域取得了一些令人瞩目的成果。

例如，在有机合成中，新型仿生催化剂可以替代传统的有机溶剂，实现绿色和可持续发展。

总结起来，新型仿生催化剂的设计与合成是一个充满挑战和机遇的领域。

源于自然的力量——仿生材料一、神奇的大自然—-仿生学自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化,大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构,并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。

其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能.例如,荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走;海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能,使得黑夜观看成为可能；水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力……道法自然，向自然界学习,采用仿生学原理,设计、合成并制备新型仿生材料,是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。

仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出.仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料;材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生 3个方面。

二、了解仿生材料仿生材料的定义仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。

通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料.仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学（biomimetic materials science),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。

当代无机化学发展前沿【论文摘要】: 无机化学是化学学科里其它各分支学科的基础学科，在近年来取得较突出的进展，主要表现在固体材料化学、配位化学等方面。

未来无机化学的发展特点是各学科交叉纵横相互渗透，用以解决工业生产与人民生活的实际问题。

文章就当代无机化学研究的前沿与未来发展趋势做了简要阐述。

当前无机化学的发展趋向主要是新型的无机化合物的合成和应用，以及新的研究领域的开辟和建立。

因此21世纪理论与计算方法的运用将大大加强理论和实验更加紧密的结合。

同时各学科间的深入发展和学科间的相互渗透，形成许多学科的新的研究领域。

例如，生物无机化学就是无机化学与生物学结合的边缘学科；固体无机化学是十分活跃的新兴学科；作为边沿学科的配位化学日益与其它相关学科相互渗透与交叉。

根据国际上最新进展和我国的具体情况,文章就“无机合成与制备化学研究进展”和“我国无机化学最新研究进展”两个方面进行阐述：一、无机合成与制备化学研究进展无机合成与制备在固体化学和材料化学研究中占有重要的地位, 是化学和材料科学的基础学科。

发展现代无机合成与制备化学, 不断地推出新的合成反应和路线或改进和绿化现有的陈旧合成方法, 不断地创造与开发新的物种, 将为研究材料结构、性能(或功能) 与反应间的关系、揭示新规律与原理提供基础。

近年来无机合成与制备化学研究的新进展主要表现为以下几个方面：（一）极端条件合成在现代合成中愈来愈广泛地应用极端条件下的合成方法与技术来实现通常条件下无法进行的合成, 并在这些极端条件下开拓多种多样的一般条件下无法得到的新化合物、新物相与物态。

超临界流体反应之一的超临界水热合成就是无机合成化学的一个重要分支。

（二）软化学合成与极端条件下的合成化学相对应的是在温和条件下功能无机材料的合成与晶化, 即温和条件下的合成或软化学合成。

由于苛刻条件对实验设备的依赖与技术上的不易控制性, 减弱了材料合成的定向程度。

而温和条件下的合成化学——即“软化学合成”,正是具有对实验设备要求简单和化学上的易控性和可操作性特点, 因而在无机材料合成化学的研究领域中占有一席之地。

骨组织修复材料的仿生合成侯京朋长期以来, 缺损骨骼的再生修复一直是骨研究领域的重要内容。

近20年来, 骨的仿生制备已成为缺损骨骼修复研究的重要内容。

几乎所有优异的生物矿化材料都采取有机分子调控无机相生长的策略, 因此, 从生物分子调控水平上去理解骨的形成和矿化过程, 并在此基础上研究骨生物材料的合成是突破这一领域的关键。

1 分子仿生的原理受天然生物体结构和功能的启发, 采用仿生的思想进行生物材料的合成设计已有悠久历史。

传统的仿生学设计, 常采用材料合成的方法去模拟生物体系。

但是, 天然矿化组织都是由生物大分子(脂类、蛋白、多聚糖)和无机矿物组成的复合材料, 从宏观到微观、从分子到纳米都是自组装的有序等级结构。

这种结构主要是利用有机大分子(蛋白质、多糖、脂类等)自组装, 无机晶体核化、定向、生长和空间形态等方面的调控作用使其在纳米水平上表现出非凡的有序性, 这些都是传统的材料合成方法所无法实现的。

随着分子生物学、分子物理、化学和纳米技术的发展, 依据生物矿化过程的“有机基质调控”理论, 生物大分子的自组装和纳米合成技术的联合应用, 使仿生学进入了分子水平, 在此基础上形成一门新的分支学科———仿生材料化学。

2 骨组织修复材料仿生合成的现状2.1 自组装表面活性剂微囊仿生合成无机骨修复材料通过表面活性剂形成脂质小泡, 原位合成具有复杂微孔结构和精确表面形态的仿生无机材料。

Walsh等首次使用微乳方法合成了高度有序的无机仿生骨材料。

刘景洲以天然来源的卵磷脂为双亲分子, 正十四烷油相和水相形成的微乳胶为磷酸钙矿化的“模板”, 调控、诱导矿化。

获得由卵磷脂与羟基磷灰石(HA)共同构建的具有纳米结构的立体网状、空心棒状、空心球状产物, 制备了具有纳米微观结构的生物活性替代材料。

这些方法主要应用于合成无机生物材料, 而且必须去除表面活性剂。

2.2 钛材表面的仿生涂层钛及其合金与其他金属材料相比具有优良的机械性能, 具有较理想的生物学活性, 因而广泛应用于修复人体硬组织缺损的负荷区。

收稿:1997年9月　*通讯联系人无机材料的仿生合成毛传斌*　李恒德　崔福斋　冯庆玲　王　浩(清华大学材料科学与工程系　北京100084)摘　要　生物矿化重要的特征之一是细胞分泌的有机基质调制无机矿物的成核和生长,形成具有特殊组装方式和多级结构特点的生物矿化材料(如骨、牙和贝壳)。

仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料合成,以有机物的组装体为模板,去控制无机物的形成,制备具有独特显微结构特点的无机材料,使材料具有优异的物理和化学性能。

仿生合成已成为无机材料化学的研究前沿。

本文综述了无机材料仿生合成的发展现状。

关键词　无机材料　仿生合成　生物矿化Biomimetic Synthesis of Inorganic MaterialsMao Chuanbin Li Hengde Cui Fuzhai Feng Qingling W ang Hao(Depa rtm ent o f Ma teria ls Science &Engineering ,Tsing hua Univ ersity,Beijing 100084,China)Abstract The mo st im po rta nt aspects in bio mineraliza tion a re the controlled nucleatio n and g row th of ino rg anic minerals from aqueous solutio ns under the mediatio n o f o rganic ma trix secreted by the cell ,a nd the forma tion of the biomineralized ma terials (bo ne ,teeth ,shell etc .)with the hierarchical structure and special assembly .B iomimetic synthesis inspired by the biomineralizatio n inv olv es the contro lled forma tion of ino rganic m aterials with o rg anic assembly as tem plate,and the productio n of inorga nic ma terials w ith specia l micro structure and ex cellent physical and chemica l pro perties .B iomimetic synthesis has no w beco me a promising field in ino rganic materials chemistry research.The resea rch status o f bio mimetic synthesis of inorg anic materials is review ed.Key words ino rg anic m aterials ;bio mimetic sy nthesis ;biomineralizatio n一、引　言生物矿化是指在生物体内形成矿物质(生物矿物)的过程。

材料科学中的仿生结构设计与制造人们对自然界的生物体结构一直充满了好奇和敬畏。

众多生物体之所以能够生存并在复杂的环境中发展，往往与它们独特的生物结构密切相关。

在材料科学领域中，研究人员开始深入研究生物体结构，并将仿生结构引入材料的设计和制造中。

仿生结构设计可以为材料提供新的性能和功能，成为材料科学领域的重要研究方向。

一、仿生结构的基本概念仿生学是研究生物体结构与功能之间的联系和相互作用的科学学科。

仿生结构即通过对生物体结构和功能的研究，将生物体的特性及其所得到的功能与材料的基本物理、化学特性相结合，以获得新型的材料结构和应用。

二、仿生结构在材料科学中的应用1. 蜂窝结构的应用蜂窝结构是一种类似于蜂巢的多孔结构，具有轻量、高强度和良好的吸音性能等优点。

仿生蜂窝结构的应用可以用于制造轻质材料，例如飞机和汽车的结构材料，以降低整体重量并提高载荷能力。

2. 珊瑚结构的应用珊瑚是一种海洋生物，它们的骨骼结构独特，由大量小孔组成。

仿生珊瑚结构可以用于制造高孔隙率的材料，具有良好的吸附性能和低密度。

这种结构的材料可以应用于环境保护领域，如吸附污染物、过滤水质等。

3. 莲花叶结构的应用莲花叶表面具有微纳米级别的纳米结构，使其具有超疏水性，且具有自清洁、自抗菌等特性。

仿生莲花叶结构可以应用于制造防污材料、抗菌材料等，用于提高材料的表面性能和抗污染能力。

4. 鸟类翅膀的应用鸟类翅膀表面具有特殊的羽毛结构，可以有效降低空气阻力，提高飞行效率。

仿生鸟类翅膀结构可以应用于风力发电叶片、水力涡轮等领域的设计和制造，以提高能源利用效率。

三、仿生结构设计与制造的挑战虽然仿生结构设计与制造在材料科学领域有着广泛的应用前景，但也面临着一些挑战。

1. 结构复杂性生物体结构往往非常复杂，要精确地模拟生物结构并制造出相应的材料，需要解决多尺度、多形态的复杂问题。

这需要研究人员在材料制备和制造工艺上有更高的要求和技术能力。

2. 材料选择仿生结构的设计和制造往往需要选择适合的材料。

生命力学中的细胞仿生研究细胞仿生研究是生命力学的一个重要分支，它通过模仿和应用生物细胞的结构、功能和机制，设计和构建全新的人工材料、设备和系统。

细胞仿生研究的目标是揭示细胞的复杂行为和原理，并将这些知识应用于解决生物医学、纳米技术、机器人学和材料科学等领域的问题。

细胞是生物体的基本单位，也是自然界中功能最为多样和复杂的结构之一、细胞仿生研究旨在模仿细胞的结构与功能，利用生物合成法、纳米技术等手段，制造出具有类似生物细胞特性的人造细胞或仿生器件。

在细胞仿生研究中，有许多重要的科学概念和原理被应用和发展。

其中之一是“自组装”。

自组装是指根据物体内部的信息和规则，使得其自然地形成一种有序的结构。

生物细胞通过自组装作用形成了复杂的细胞器和细胞骨架结构。

通过研究细胞的自组装机制，科学家们设计了很多具有自组装功能的人工聚合物和材料。

另一个重要的概念是“纳米技术”。

纳米技术是指利用纳米尺度的材料和器件进行制造和加工。

由于细胞在尺度上与纳米级别相近，因此纳米技术可以模仿和应用于细胞的结构和功能。

例如，科学家们通过制造纳米粒子来模拟细胞内的传输和储存功能，进而应用于药物传输和生物传感器等领域。

此外，细胞仿生研究还涉及到信息传导、能量转化、运动和适应性等多个方面。

例如，研究人员可以利用细胞的信号传导机制，设计出能够产生特定响应的人工器件；同时，他们还可以借鉴细胞的能量转化机制，制造出能够高效转化能量的人工系统。

此外，运动和适应性方面的仿生研究也有很大的应用潜力。

研究人员通过研究细胞的移动方式和适应环境的能力，设计出了具有高度机动性和适应性的机器人。

细胞仿生研究的应用广泛而且前景广阔。

例如，人工细胞的研究有助于我们更好地理解生命的起源和进化，也有助于创造出更高效、可控的药物传输系统。

纳米技术的应用可以帮助我们制造更可靠、灵敏的生物传感器，并在纳米尺度下研究和理解生物分子的行为。

细胞仿生对于未来的生物医学和材料科学发展具有重要的指导意义。

骨组织修复材料的仿生合成侯京朋长期以来, 缺损骨骼的再生修复一直是骨研究领域的重要内容。

近20年来, 骨的仿生制备已成为缺损骨骼修复研究的重要内容。

几乎所有优异的生物矿化材料都采取有机分子调控无机相生长的策略, 因此, 从生物分子调控水平上去理解骨的形成和矿化过程, 并在此基础上研究骨生物材料的合成是突破这一领域的关键。

1 分子仿生的原理受天然生物体结构和功能的启发, 采用仿生的思想进行生物材料的合成设计已有悠久历史。

传统的仿生学设计, 常采用材料合成的方法去模拟生物体系。

但是, 天然矿化组织都是由生物大分子(脂类、蛋白、多聚糖)和无机矿物组成的复合材料, 从宏观到微观、从分子到纳米都是自组装的有序等级结构。

这种结构主要是利用有机大分子(蛋白质、多糖、脂类等)自组装, 无机晶体核化、定向、生长和空间形态等方面的调控作用使其在纳米水平上表现出非凡的有序性, 这些都是传统的材料合成方法所无法实现的。

随着分子生物学、分子物理、化学和纳米技术的发展, 依据生物矿化过程的“有机基质调控”理论, 生物大分子的自组装和纳米合成技术的联合应用, 使仿生学进入了分子水平, 在此基础上形成一门新的分支学科———仿生材料化学。

2 骨组织修复材料仿生合成的现状2.1 自组装表面活性剂微囊仿生合成无机骨修复材料通过表面活性剂形成脂质小泡, 原位合成具有复杂微孔结构和精确表面形态的仿生无机材料。

Walsh等首次使用微乳方法合成了高度有序的无机仿生骨材料。

刘景洲以天然来源的卵磷脂为双亲分子, 正十四烷油相和水相形成的微乳胶为磷酸钙矿化的“模板”, 调控、诱导矿化。

获得由卵磷脂与羟基磷灰石(HA)共同构建的具有纳米结构的立体网状、空心棒状、空心球状产物, 制备了具有纳米微观结构的生物活性替代材料。

这些方法主要应用于合成无机生物材料, 而且必须去除表面活性剂。

2.2 钛材表面的仿生涂层钛及其合金与其他金属材料相比具有优良的机械性能, 具有较理想的生物学活性, 因而广泛应用于修复人体硬组织缺损的负荷区。

仿生光合作用材料设计与合成研究简介光合作用是生物界最基本的能量转换过程之一，能够将太阳能转化为化学能，为生物提供能量和营养。

然而，现代科学技术的迅猛发展给仿生光合作用材料的设计与合成带来了新的机遇和挑战。

本文将讨论仿生光合作用材料的设计与合成研究领域的进展和应用前景。

光合作用材料的设计仿生光合作用材料的设计主要包括光吸收体、电荷分离界面和电荷传输体。

光吸收体负责吸收和转化太阳能，一般采用含有多个共轭体系的有机分子或半导体纳米晶体。

电荷分离界面负责将吸收到的光能转化为电能，一般采用钙钛矿材料或有机-无机杂化材料。

电荷传输体将电荷从电荷分离界面传输到电极上，一般采用导电聚合物或导电纳米线。

光合作用材料的合成光合作用材料的合成主要包括化学合成和物理合成两种方法。

化学合成是最常用的合成方法，一般采用有机合成和无机合成两种路线。

有机合成主要是通过有机化学反应将单体化合物聚合为高分子材料，如聚合物和共聚物。

无机合成主要是通过溶液法或气相沉积法将无机离子或无机分子转化为纳米晶体或薄膜材料，如钙钛矿材料和二维材料。

物理合成是一种通过物理方法将材料合成为薄膜或纳米结构的方法，如溅射法、热蒸发法和溶液浸渍法。

这些方法具有制备工艺简单、操作方便的优点，适用于大规模生产和工业化生产。

在太阳能光伏领域，仿生光合作用材料可以用于制备高效的光伏电池。

通过设计合成具有高吸收率和较长寿命的光吸收体，可以提高光伏电池的光电转化效率。

同时，通过设计合成高效的电荷分离界面和电荷传输体，可以提高光伏电池的载流子传输效率和电荷注入效率。

在光电催化领域，仿生光合作用材料可以用于制备高效的光电催化剂。

通过设计合成具有良好的光吸收和光电转化性能的材料，可以提高光电催化剂的活性和稳定性。

同时，通过设计合成具有良好的载流子传输和电荷分离性能的材料，可以提高光电催化剂的光电转化效率和活性。

在生物传感领域，仿生光合作用材料可以用于制备高灵敏度和高选择性的生物传感器。

仿生材料的制备和性能研究1. 概述仿生学是一门新兴的学科，它将生物学、物理学、化学和工程学等多个学科知识相结合，研究生物生理学上的奥秘和生物适应性问题，从而应用到工程学领域。

而仿生材料则是仿生学的重要应用，它是通过模仿生物特性和生物构造，制造出新的材料，从而提高材料的性能和适应性。

本文将介绍仿生材料的制备方法和性能研究现状。

2. 仿生材料制备方法2.1 生物模板法生物模板法是一种常用的制备仿生材料的方法。

生物模板是指生物体中的某些组织、细胞或者分子，利用其结构、形态和功能模拟出一种新材料。

常见的生物模板包括蝴蝶翅膀、貝殼、骨骼等等。

生物模板法的制备步骤如下：首先需要对模板进行处理，去除有害物质和有机质。

然后将处理后的模板与材料构成复合材料，最后通过热处理、化学处理等工艺得到仿生材料。

2.2 印迹法印迹法是一种将生物模板制成的刻板通过印迹的方法制造仿生材料的方法。

印迹法的制备步骤如下：将生物模板放在一个高温高压的反应器中，使其产生副反应，然后加入材料到反应器中，使之附着在生物模板表面。

最后，通过去除生物模板，得到仿生材料。

2.3 生物分子模拟法生物分子模拟法是一种模拟和人工生产生物分子来制造仿生材料的方法。

生物分子模拟法的制备步骤如下：首先需要获得特定的生物分子序列，然后通过计算机模拟、化学合成、蛋白质工程等方法，制造出这些生物分子，最后通过组合、配对等方式制得仿生材料。

3. 仿生材料性能研究现状3.1 仿生材料力学性能研究仿生材料力学性能研究主要包括材料刚度、强度和韧性等方面的研究。

对于仿生材料的力学性能优化，可以先从仿生构造特点出发，选用合适的材料和工艺进行制备。

例如，仿生材料中的鸟喙，其刚度高、强度大，可通过选择具有较高刚度、强度的材料进行制备，比如钛合金、碳纤维等。

3.2 仿生材料形态性能研究仿生材料形态性能研究主要研究仿生材料的表面形态、界面结构和微观组织结构等方面的性能。

此外，也需要考虑仿生材料的生物适应性以及生产成本等因素。

源于自然的力量——仿生材料一、神奇的大自然——仿生学自然界的创造力总就是令人惊奇,天然生物材料经历几十亿年进化,大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构,并具有自适应性与自愈合能力,如竹、木、骨骼与贝壳等。

其组成简单,通过复杂结构的精细组合,从而具有许多独有的特点与最佳的综合性能。

例如,荷叶的表面有许多微小的乳突,让水不能在上面停留,滴形成后会从荷叶上滚落,同时将灰尘带走;海洋生物乌贼与斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力;水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序,使得排水十分便利;昆虫复眼的减反射功能,使得黑夜观瞧成为可能;水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如;壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力……道法自然,向自然界学习,采用仿生学原理,设计、合成并制备新型仿生材料,就是近年快速崛起与发展的研究领域,并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。

仿生学就是模仿生物的科学,早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出。

仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用,为工程技术提供新的设计思想、工作原理与系统构成;仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料;材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生与系统仿生 3个方面。

二、了解仿生材料仿生材料的定义仿生材料就是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。

通常把仿照生命系统的运行模式与生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。

仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它就是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,就是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。

仿生材料材料是人类赖以生存和发展的重要基础, 是直接推动社会发展的动力, 材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。

材料按其应用一般可以分为两大类: 结构材料和功能材料。

结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。

功能材料则主要利用其光、电、磁、声、热等特殊的物理、化学、生物学性能。

材料科学水平已经成为衡量一个国家科学技术、国民经济水平及综合国力的重要标志, 许多国家都把新材料的研究放在了优先发展的地位。

自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化, 使它们能适应环境的变化, 从而得到生存和发展, 其结构与功能已达到近乎完美的程度。

自古以来, 自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。

道法自然, 向生物学习, 向自然界学习, 利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域, 而且已成为化学、材料、生命、力学、物理等学科交叉研究的前沿热点之一。

虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前,但通常认为, 1960 年美国召开的第一届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。

仿生学一词是1960 年由美国斯梯尔(Jack Ellwood Steele)根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有……的性质”的意思)构成的。

1963 年我国将“Bionics”译为“仿生学”, 它是研究生物系统的结构、性质、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. 简言之, 仿生学就是模仿生物的科学。

仿生学是生物学、数学和工程技术学等学科相互渗透而结合成的一门新兴科学。

随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展, 仿生学向微纳结构和微纳系统方向发展已成为仿生学前沿研究的一个重要分支。

仿生合成(biomimetic synthesis)一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成, 即受自然界生物特殊结构和功能的启示, 模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天然生物合成的方法获得所需材料。

仿⽣合成技术90年代以来，出现了⼀种模仿⽣物矿化中⽆机物在有机物调制下形成过程的新合成⽅法———仿⽣合成。

利⽤仿⽣合成技术制备的纳⽶微粒、薄膜、多孔材料等物质具有特殊的物理和化学性能，潜在着⼴阔的应⽤前景，这使得⽆机材料的仿⽣合成技术已成为材料化学研究的前沿和热点。

仿⽣合成技术简介仿⽣合成技术(Biomimetic Synthesis)是⼀种崭新的⽆机材料合成技术。

90年代中期，当科学家们注意到⽣物矿化进程中分⼦识别、分⼦⾃组装和复制构成了五彩缤纷的⾃然界，并开始有意识地利⽤这⼀⾃然原理来指导特殊材料的合成时，仿⽣合成的概念才被提出。

仿⽣合成技术模仿了⽆机物在有机物调制下形成的机理，合成过程中先形成有机物的⾃组装体，使⽆机先驱物于⾃组装聚集体和溶液的相界⾯发⽣化学反应，在⾃组装体的模板作⽤下，形成⽆机P有机复合体,再将有机物模板去除后即可得到具有⼀定形状的有组织的⽆机材料。

模板在仿⽣合成技术中起到举⾜轻重的地位，模板的千变万化，是制备结构、性能迥异的⽆机材料的前提。

⽬前⽤作模板的物质主要是表⾯活性剂，因为它们在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶和囊泡等⾃组装体，⽣物⼤分⼦和⽣物中的有机质也是被选择的模板，此外利⽤先进光电技术制造的模板也被⽤来合成特殊的⽆机材料。

仿⽣合成技术的出现与应⽤为制备具有各种特殊物理、化学性能的⽆机材料提供了⼴阔的前景。

利⽤有机⼤分⼦作模板剂控制⽆机材料结构的仿⽣技术被视为近年来化学发展的新动态，通过调变聚合物的⼤⼩和修饰胶体颗粒表⾯对⽆机材料形成初期实⾏“裁剪”，化学途径能够获得介观尺度的⽆机有机材料。

近⼏年⽆机材料的仿⽣合成已成为材料化学的研究前沿和热点，尽管⽬前有关仿⽣合成的机理尚有待进⼀步证实和探索，但相信在不久的将来，通过仿⽣事成技术，更多的多功能⽆机材料将会诞⽣。

仿⽣合成材料的应⽤前景仿⽣合成材料是具有特殊性能的新型材料，有着特殊的物理、化学性能和潜在的⼴阔应⽤前景。

清华大学冯雪团队《Science》子刊：在仿生三维神经电极研究方向取得重要进展来源：清华大学新闻网4月19日，清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组在《科学·进展》（Science Advances）在线发表了题为“用于外周神经电刺激与信号采集的形状记忆基仿攀爬缠绕电极”（Climbing-inspired twining electrodes using shape memory for peripheral nerve stimulation and recording）的研究成果。

冯雪教授课题组通过力学理论并与信息、材料、化学等学科深度交叉，发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极，依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极-神经束界面，为外周神经调控技术在临床上的应用提供了崭新的思路。

仿攀爬缠绕电极用于外周神经调控示意图外周神经电刺激与信号采集在治疗一些药物难治性疾病如癫痫，抑郁，心衰，假肢等方面具有十分重要的临床意义。

而现有的外周神经电极与外周神经束软组织力学性质、几何结构极度不匹配，无法适应外周神经动态变形的特点，且电极的手术植入与固定过程复杂。

由此会造成神经束不可逆的损伤，如组织发炎，神经束退化，伴随的副作用给病人带来极大的痛苦，如恶心，呕吐，呼吸障碍等，严重时还会带来生命危险。

受缠绕植物攀爬行为启发，冯雪教授课题组提出了一种三维仿攀爬缠绕电极，以解决上述的电极-神经束界面失配问题。

该神经电极能够在二维平面完成复杂结构的制备；利用形状记忆聚合物的可重构功能，并根据外周神经束的几何尺寸设计神经电极的永久形状，完成三维缠绕电极的制备。

在手术植入前，将三维螺旋状缠绕电极展平至平面状态以方便手术操作；在手术植入中，利用37 ℃ 生理盐水的驱动，该电极将自动恢复至设计好的三维螺旋形，利用电极与神经束间的自然粘附而形成良好的电极-神经束界面，无需额外的手术固定。

nature和science近年关于碳纳米管的文章碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米结构，其直径约为纳米级别，长度可达微米级别。

由于其独特的结构和优异的物理化学性质，碳纳米管在材料科学、纳米技术、能源存储等领域具有广阔的应用前景。

近年来，顶级期刊Nature和Science相继发表了多篇关于碳纳米管的研究文章，本文将逐步介绍这些文章并总结其主要发现。

一、Nature上的关于碳纳米管的文章：1. “Enhanced Electrochemical Performance of Carbon Nanotube-Based Micro-Supercap acitors” （2017年）这篇文章报道了一种基于碳纳米管的微型超级电容器，通过控制碳纳米管的结构和形貌，实现了超高的电容性能。

研究者在文中详细描述了制备方法、电化学性能，以及与传统超级电容器的比较结果。

2. “Bioinspired Carbon Nanotube Transistors with Cytoskeleton-like Scaffolds”（2018年）本研究根据生物启发，通过制备具有细胞骨架类似结构的碳纳米管晶体，并将其应用于场效应晶体管中。

实验结果表明，这种生物仿生晶体管具有优异的电学性能和稳定性。

文中详细描述了合成方法、材料特性以及晶体管性能测试结果。

3. “Carbon Nanotubes as High-Performance Anode Materials for Sodium-Ion Batteries”（2019年）这篇文章探讨了碳纳米管作为钠离子电池高性能负极材料的潜力。

研究人员通过一系列实验和材料表征手段，证明了碳纳米管在钠离子电池中具有高容量、长循环寿命等优异特性。

文章中提供了详细的实验方法、电池测试结果以及相应机制的解释。

Nature上的这些文章详细描述了碳纳米管在微型超级电容器、场效应晶体管和钠离子电池等领域的应用前景和性能优势。

仿生科学的研究现状与展望随着现代科技的不断发展，仿生科学逐渐成为了研究的热点之一。

仿生学（Biomimetics）源于希腊文"bios"（生命）和“mimesis”（模仿），是指通过模仿和应用自然界中的生物结构、功能、过程等方面的原理和方法，来解决人类的一些技术问题。

仿生科学的研究涵盖很广，从蚂蚁的群体行为到鱼的游泳方式，从飞禽走兽的基因到能量的转化，都有仿生学的应用研究。

本文将简单地介绍一下仿生科学的研究现状，以及仿生学未来的展望。

一、仿生学的研究现状1.生物结构的仿造在重建和仿造自然生物结构方面，仿生学得到了一定的突破。

例如，在仿制昆虫的生物翅膀中，研究者使用了复合材料来模拟自然界中薄而坚韧的翅膀结构，从而使仿制出的产品更加轻盈和结实。

此外，在仿制猎豹奔跑时，研究者使用了高科技合成材料来模仿动物的弹性和力量，以达到更好的运动效果。

2.生物功能的应用仿生学的另一个重要研究方向是研究生物功能，并将其应用于科技产品和工程中。

例如，在仿制海豚时，研究者使用了水下声纳技术和非线性流体力学来模拟海豚游泳时所产生的最优流线性，从而设计出高效率的水下器材。

此外，仿生学的方法也被应用于诸如自动控制、柔性制造、先进材料和医疗设备等领域。

3.生物过程的创新仿生学的研究也涉及生物过程的模拟和仿制，例如生物的自组织行为、物种间的互动方式以及生物自然选择的过程。

仿生学的这一研究方向主要关注于模拟和设计这些生物过程的内在机理，并将其应用于人工智能、机器学习和智能化制造等领域。

二、仿生学未来的展望随着科技的不断进步和仿生科学的不断发展，人们对仿生学在未来的应用前景抱有很高的期望。

以下是一些可能出现的实践以及未来的展望：1.仿生科技的产业化随着仿生学的不断发展，相应的技术和产品也将逐渐走向市场。

从仿制昆虫翅膀的航空材料到仿制猎豹奔跑的运动器材，这些技术和产品都具有广泛的应用前景。

相信随着科技的进步，仿生科技的产业化也将越来越成熟。

仿生材料合成1仿生纳米合成的思想：生物天生具有自我识别，自我组织和自我复制的本领。

将无生命的小分子组装成具有精确构造并具有特定功能的生命体。

小到单细胞生物，大到复杂的人体都具有这种本领。

4种基本的核苷酸（A T C G）经过有序的排列组合，可以构造出携带全部遗传信息的DNA双螺旋结构。

20种基本的氨基酸，经过有序排列组合，几乎可以产生所有的生物蛋白。

生物体内的许多结构单元，其尺寸都在纳米的范畴。

血红蛋白的直径为6.8nm，生物膜的厚度约为6~10nm，DNA的直径约为2nm，它们都是天然形成的纳米材料。

科学家的任务就是要了解这种“自我识别，自我组织和自我复制”的来源，给出解释，同时尝试模拟生物界的这种自我识别和自我装配的过程。

因此仿生纳米思想的产生式十分自然的。

生物结构形成的基础是原子和分子之间具有范德华力，氢键，疏水作用等较弱的作用力，是这些作用力驱动了分子的自组装。

其结构的稳定性和完整性是由这些因素的协同作用来维持的。

基于这种思想，所谓仿生纳米合成可以理解为：从单个原子，多个分子，或单个纳米结构单元出发，通过事前设计和利用它们之间的相互作用，使其按照人的意识，凭借内在的弱作用和协同作用，自发地组成一维，二维或三维的纳米材料或纳米结构，这就是纳米仿生合成的思路。

纳米仿生合成的主要内容有有(1) 结构生物材料的物化分析; (2) 直接模仿生物体进行的材料制备与开发;(3 ) 利用生物加工技术制备材料的力学行为分析; (4 ) 用模仿过程中得到的新概念, 进行新型合成材料的设计; (5)在新领域中这些材料和结构的应用;(6 ) 在生物结构力学分析的指导下, 对现有结构设计进行优化; (7 ) 生物材料及结构在进化过程中, 所用设计标准的分析; (8) 模仿生物体所进行的实用系统的开发等。

可看出, 它不仅涉及到材料科学, 而且与材料工程紧密相联。

仿生纳米合成许多方式，例如（1）仿照生物分子通过非共价相互作用，形成具有特定功能的多分子集合体，可以合成各种各样的纳米材料；（2）仿照生物膜的结构，将功能分子有序地排列起来，进而获得致密而有序的单分子膜或多层膜材料；（3）仿照生物体内骨骼，牙齿的“生物矿化”过程，可以制备出有机/无机复合材料。