五棵松讲坛从大自然走来的新材料

12.16五棵松讲坛从大自然走来的新材料主讲人：陈刚教授（材料学院）新材料是正在研发或者新兴发展的性能超群的材料，跟传统材料相比通常具有更加优异的性能，新材料是本世纪重大的技术革新之一。其定义随着时间和空间的变化而不断变化。新材料跟大自然有什么联系呢？这就是我想要说明的问题。按照大爆炸理论，太阳系的存在时间约为50~60亿年，比较可靠的理论中地球存在约44.5亿年。对于这么长的时间跨度，有人提出，地球存在期间肯定有很多生命发展到高级智慧层面后因为某个灾难结束了生命。存在即合理，曾经在地球上出现过的生命有可能对材料开发有所启示。恐龙是地球生命演化的过程中具有代表性的生物，然而却由于各种各样的原因最终在地球上灭绝。除去灾难这一因素，很多濒临灭绝的物种灭绝的部分原因都是其生物材料不完全适合环境。现存的生物中有许多非常有趣的生物，譬如看起来像朵花瓣的兰花螳螂，它还能够模仿兰花的颜色和形态。还有一种沙漠中的甲虫，虽然它看起来没有任何奇特的地方，但是却能够从沙漠中获得水分。如果人类能够拥有这种技能，那么就能解决水资源短缺这一难题。北极熊为什么不怕冷？因为它的皮毛和一般动物的不一样。研究发现北极熊的毛发是中空结构，由于空气的热传导性较弱，所以这种特殊的中空结构就具有很强的保暖作用。此外，由于毛发表面结构和状态的作用，北极熊出水以后可以迅速地将身上的水抖落。从这些例子来看，生物经过了长期的演化后拥有十分杰出的本领。动物身上的这些材料其实都是非常简单的物质，都是出自于非常温和的条件。这给我们的启示是：我们可以把这种结构、功能特性和合成过程利用起来创造出更多的新材料。根据生物现象和材料特性模仿制造出的材料被称为“仿生材料”，仿生材料是新材料中重要的一类。源自动植物的“多孔材料”在广义的自然界中，我们人类从古猿先“站起来”，再“蹲下来”。“蹲下来”是指琢磨怎样才够制造出新材料的过程。新材料主要包括生物材料、纳米材料、超导、智能材料，还有一些高端的传统的结构材料。比如，钢铁本身并不是新材料，但是强度超凡的超强钢就属于新材料。首先讲讲大自然中神奇的动植物。竹子是生活中常见的一种材料，比如筷子。除了柔韧以外，竹子最大的特点就是轻，而且耐腐蚀能力比较强，从整体结构来说是中空。在进一步放大以后，除了相对致密的竹节部分以外，竹子的其余部分是多孔组织。因为竹子密度低，可浮于水且柔韧度高，所以还可以用于替代材料。轻质高强竹质复合材料也可做成多孔材料。类似的，轻质高强材料如像弹簧连在一起的蜘蛛网。将外界和内部机构本身的水分去掉，我们可以得到干蜘蛛丝，虽然更易观察，但相较于湿的环境，干蜘蛛丝强度低。这也给了我们启示：只有生命呼吸，才具备好的性能。放大观察，我们可以看到蜘蛛丝不同的排列方式，不同区域结构的特征不同，所以这种材料模仿困难。丝拉直状态有储存机构，用TiO2做成纤维，这样的纤维可以调节对水的吸收性，仿造外观的机构，粗疏水、细吸分析之后，不同地方做出材料便也是多孔的，把不同机构贮存在一起，可以做成其它形式。其它多孔材料如柚子皮，放大后有多孔结构，有部分纤维排列似笼状结构，抗冲击强，敲击时不会有声音，需要阻尼，在抗冲击性材料的研制时可以借鉴使用。如空心玻璃纤维需要把玻璃化成液体，液体玻璃用多孔漏板做出直径能达几微米的细丝。如果要做中空的，就在筛孔间插入一根非常细小的管子然后向里通空气。这根管具有很好的保温性，就像北极熊中空的毛发。这是单根材料的做法，要做多孔材料就可以把这些单根粘合起来。若一个地方需要隔音，比如装修的时候，最简单的方法就是用既便宜又容易实现的泡沫塑料。但塑料遇火会冒烟甚至燃烧，此时我们就可以用一个多孔的铝来隔音，而且铝本身就耐高温。不同形态的多孔铝做法也不一样。像面包一样的用的是发泡法，在制作过程中使用发泡剂；像清洁球的是把铝的细丝压在一起细烧，或者用铝粉填充海绵，铝粉融化后定型后再将海绵分解；颗粒状的，是先让一些颗粒堆积起来，让液态铝进入其间的缝隙，填充完成后把颗粒分解。而陶瓷多孔材料做出来的物品用途非常广泛：耐高温、耐腐蚀，高温催化。此外，陶瓷多孔材料还能用来净水和过滤，它不像高分子材料那样容易老化。也有人把水泥做成多孔材料。水泥的价格比铝要便宜得多，密度小、有一定强度同时隔音、保温。气凝胶是凝胶里面液体填充的部分用气体置换，最后材料中百分之八九十的部分是气体，它的密度是玻璃的千分之一。这也是多孔材料，与之前不同的是它的孔很小，可以到达纳米级别。它承受冲击的能力较强，吸附性较强，隔热保温性好。当海面上大面积石油泄漏时就可以使用。以上这些给我们一个提示：在做很多零件时，除了要考虑致密材料外，很多时候还要考虑多孔材料。这样根据多孔材料结构和性能要求的不同，选择不同的制备方式。“不沾水”的超疏水材料疏水就是水不沾在上面。在自然界中有种叫“蛇怪蜥蜴”的蜥蜴，它能在水面上跑动一段距离不下沉，原因有两方面，一是因为它速度特别快，二是它的脚结构比较特殊。比它更厉害的是水黾，它能始终在水面上自由行走，这是因为它腿部的特殊结构和分泌的皮质屑。这种性质通常称为“超疏水性”。荷叶在植物上很常见，从显微结构上看，荷叶表面具有非常细微的结构，它使得水的表面被排开变成了我们所看到的球形。我们把硅烷做成仿荷叶表面的结构。若标尺是五个微米，那么表面这样一个小突起也就几个微米。用硅烷做的突起结构也是一个具有超疏水性的材料。聚丙烯也能得到这样的效果。不同的干燥时间后，水滴在表面的形态有差异。这个地方水滴更像球形，也就说明它更具超疏水性。我们借鉴这个结构，可以用不同的方法做成超疏水表面。有人做超疏水材料，就有人想到做超疏水并疏油的材料。不粘锅现在已经有多种功用，用的较多的是一种由含氟的物质做成的涂层，大多是特氟龙涂层。总的来看，这个涂层没有多大害处。更多的时候，不粘锅还是很有用处的。为了安全起见，有人提出用陶瓷来来代替。但很多陶瓷表面是沾水的，所以就在里面添加纳米的颗粒，把陶瓷的表面做得更致密一些就能达到不沾水的目的。大自然中还有很多神奇的生物材料。动植物都有一个能自己愈合伤口共同点。比如说碳材料，碳在高温下易被氧化，容易想到给它镀膜防止氧化，然而镀层之后里面的物质还是会被氧化，因而有人将里面换成碳和陶瓷结合，当镀层破损后，里面的物质氧化，自动生成一层膜，这也是抗氧化的仿生。