仿生材料學

我們在現實生活中接觸過許多動物與植物,它們都屬於生物的範疇。在地球上所有生物都是由理想的無機或有機材料通過組合而形成,例如能夠跳動80 年都不停止的人類心臟；幾乎不發熱量的冷血昆蟲。從材料化學的觀點來看,僅僅利用極少的幾種高分子材料所製造的從細胞到纖維直至各種器官能夠發揮如此多種多樣的功能,簡直不可思議。動植物為了鑄造自己身體所用的材料在有機系列裏有纖維素、木質素、甲殼質、蛋白質和核酸等等,其構造非常複雜。

在高分子化學世界裏,我們已經制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多種多樣的功能。但是,人類所創造的材料與自然界生物體的構成材料還有很大的不同。舉幾個簡單的例子:海鰻的發電器瞬間可以發出800 伏的電壓,足以電死一頭大象,但是它的發電器不是金屬等導電器材,而是蛋白質的分子集合體;深海里有一種軟體動物,其身體無疑也是由細胞材料所構成,但是卻可承受很高的海水壓力而自由地生存着。這些例子説明,許多生物體的某些構成材料是我們完全不知道的,這些材料大多數是在常温常壓的條件下形成,並能發揮出特有的性能。當人們對這些生物現象有了充分的理解之後,把它們應用於材料科學技術方面,就形成了仿生材料學。因此,仿生材料學的研究內容就是以闡明生物體的材料構造與形成過程為目標,用生物材料的觀點來思考人工材料,從生物功能的角度來考慮材料的設計與製作。

但是迄今為止該學科未開拓的領域和未解決的問題非常之多,可以認為仿生材料學的學科體系還沒有完全形成。進行仿生材料的開發與研究必須要學習和了解許多相關的專門知識,例如,高分子化學、蛋白質工程科學、遺傳學、生物學以及與其關聯的技術等等。

最早開始研究並取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纖維和人的皮膚的接觸感而製造的人造纖維。對蠶或者蜘蛛吐出的絲,人類自古就有很大的興趣,這些絲純粹是由蛋白質構成,特別是蠶絲,具有温暖的觸感和美麗的光澤。二十世紀以來,人們模仿蠶吐絲的過程研製了各種化學纖維的紡絲方法,此後又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研製了許多新型纖維,例如,牛奶蛋白質與丙烯晴共聚纖維(東洋紡) ,商品名為稀苤的高吸濕性纖維(旭化成) 等等。這些產品的出現顯示了人類仿造生物纖維表面細微形態與內部構造取得了成功 。另外人們還對蠶的產絲體進行了卓有成效的研究(日本農業生物資源研究所) ,並且對蜘蛛絲也進行了研究(日本島根大學) ,研究者們期待着有朝一日能夠製造出與蠶絲完全一樣的人造絲。

在陸地上生活的動物有肺,能夠分離空氣中的氧氣,水裏的魚有鰓,能夠分離溶解在水中的氧氣,供給身體使用。人們仿造這種特性,製作了薄膜材料,用於製造高濃度氧氣、分離超純水等,以達到節省能源以及高分離率的目的 。目前人們正在研製具有動物肺和魚鰓那樣功能的材料,如果研製成功的話,人類在水底世界的活動將發生一場新的革命。

生物為了維持生命,能夠非常高效地進行各種能量之間的相互轉換,這是在廣闊的生物界都能看到的現象。例如,人們對螢火蟲的發光機制作了研究,其發光原因是由於化學能高效率地轉化為光能。雖然人類在化學領域中已體驗了遺傳信息的鑰匙- 核酸的魅力,在試管中實現其功能的研究也取得了很大的進步,但是像螢火蟲的這種能量變換方法目前人類還做不到。隨着地球上現在所使用的能源逐漸枯竭,人類尋求新能源的任務已迫在眉睫,如果能夠找到象某些生物那樣能夠高效率地進行能量變換或者能量重組的材料與方法,將為人類的未來帶來希望和光明。

卵是鳥類和爬蟲類生育在體外的動物的最大細胞。它的殼,是石灰質構成的,內部有卵白和卵黃。美國學者Finks 對此發表了非常有趣的假説,認為卵的結構無論從力學或者工學的觀點來思考,都有許多值得學習的地方,人類現在的包裝技術與之相比相形見絀。卵殼的形成過程與牙齒和骨頭的發育過程相同,被稱之為鈣化過程,與無機和有機的界面化學相關,據有關報道,人們正在研究一種人造骨。相信在不遠的將來,通過對有機和無機複合材料形成技術的研究,不僅在包裝技術方面人們會學習和採用生物卵殼的形成方式,同時在醫學科學中也會開創新的領域。

植物也為我們提供了許多有趣的現象,例如我們常見的西瓜是一種含水量極高的水果,在它的啓發下,人們研製了一種與西瓜纖維素構造相似的超吸水性樹脂,它是用特殊設計的高分子材料製造的,能夠吸收超越自身重量數百倍到數千倍的水份,現在已用於廢油的回收,既經濟又高效。這種材料如果進一步得到完善的話,將來液體的包裝和輸送就可能用一種全新的技術來代替。比如,將來的飲料就不再是用現在的杯子來裝,而是隻要用一片薄膜即可。

植物在複合材料力學性能方面,也有許多獨特的魅力。例如,從竹子的斷面來看,一種稱之為纖維束的組織密佈在竹子的表皮,竹子的內部卻很稀少,這樣的結構形成了一種高強度的複合材料。但是當竹子還是竹筍的時候,這種纖維束在竹筍的斷面上是均勻分佈的,隨着竹筍的生長,纖維束逐漸向外側移動,最終形成最佳構造。再例如,樹的年輪是由在冬天和夏天的生長不同而形成。這些能夠方向性生長,形成高強度複合材料的過程,使人們受到了啓示,最近,高分子世界已出現了研製這種方向型複合材料的動向,當然這並不是件易事。但這種成長型複合材料,也將是複合材料未來的研究方向之一。

最後再舉一例,用手觸摸含羞草的葉片,它就會像動物那樣收縮。在這一種啓發下,日本奧林巴斯公司的植田康弘研製了一種可以伸到小腸裏的內視鏡,他在內視鏡的筒狀部分使用了一種與含羞草葉片表面結構相似的彈性膜材料,它在腸道流體的壓力下,會沿着軸向自動伸長或彎曲,從而使內視鏡的筒狀部分與腸道保持同一形狀。