智能材料及其发展

智能材料及其发展1.材料的发展材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或者其他产品的物质，是人类生活、生产的基础，是人类认识自然和改造自然的工具，与信息、能源并列为人类赖以生存、现代文明赖以发展的三大支柱。材料也是人类进化的标志之一，一种新材料的出现必将促进人类文明的发展和科技的进步，从人类出现，经历旧石器时代、新石器时代、青铜时代……，一直到21世纪，材料及材料科学的发展一直伴随着人类的文明的进步。在人类文明的进程中，材料大致经历了一下五个发展阶段。1）利用纯天然材料的初级阶段：在远古时代人类只能利用纯天然材料（如石头、草木、野兽毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所说的旧石器时代。这一阶段人类只能对纯天然材料进行简单加工。2）单纯利用火制造材料阶段：这一阶段跨越了新石器时代、青铜时代和铁器时代，它们风别已三大人造材料为象征，即陶、铜、铁。这一时期人类利用火来进行烧结、冶炼和加工，如利用天然陶土烧制陶、瓷、砖、瓦以及后来的玻璃、水泥等，从天然矿石中提炼铜、铁等金属。3）利用物理和化学原理合成材料阶段：20世纪初，随着科学的发展和各种检测手段及仪器的出现，人类开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，并以凝聚态物理、晶体物理、固体物理为基础研究材料组成、结构和性能之间的关系，并出现了材料科学。这一时期，人类利用一系列物理、化学原理、现象来创造新材料，这一时期出现的合成高分子材料与已有的金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除此之外，人类还合成了一系列的合金材料和无机非金属材料，如超导材料、光纤材料、半导体材料等。4）材料的复合化阶段：这一阶段以20世纪50年代金属陶瓷的出现为开端，人类开始使用新的物理、化学技术，根据需要制备出性能独特的材料。玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是这一阶段的杰出代表，它们都是为了适应高科技的发展和提高人类文明进步而产生的。5）材料的智能化阶段：自然界的材料都具有自适应、自诊断、自修复的功能。如所有的动物和植物都能在没有受到毁灭性打击的情况下进行自诊断和修复。受大自然的启发，近三四十年的研发，一些人工材料已经具备了其中的部分功能，即我们所说的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。但是从严格意义上将，目前研制成功的智能材料离理想的智能材料还有一定的距离。材料科学的发展主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到复合材料）、量子化（从宏观控制到微观和介观控制）、复合化（从单一到复合）、智能化（从主动到被动）、可设计化（从经验到理论）。2.材料的智能化2.1智能材料智能材料概念是由日本高木俊宜教授1989年11月在日本科学技术厅航空、电子等技术评审会上提出的，同期美国在航空、宇宙领域中对传感功能和执行功能的适应性结构物、灵巧结构物的研究也较活跃，因此人们逐渐将它们均统称为智能材料与智能系统。一般来说，智能材料就是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并对其进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的含智能特征的材料。智能材料的构想米源于仿生（就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等）。它的目标是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料大都比较单一，难以满足智能材料的要求，所以一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃的方面和最先进的发展方向。智能材料包括压电材料、电致伸缩、磁致伸缩、形态记忆合金和智能凝胶等材料。前面四种均具有在外场下可以移动的自结晶边界界定的畴结构，它们响应刺激产生的形状变化使其可作为执行元件。高分子凝胶则为大分子构成的三维网络，其结构中含有能对外界环境(温度、电场及化学物质)响应的部分，利用其大分子链或链段的构象与结构或基团的重排可使凝胶体积发生突变转变，由此可调控其刺激响应性。2.2生物材料智能化生物材料（biomaterial）是用于对生物体进行诊断、治疗，修复或替换其病损组织与器官、增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为材料学科的一个重要研究分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，已成为各国科学家竞相进行研发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，在不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造完整的人体器官，生物材料和制品产业将发展为21世纪世界经济的一个支柱产业。由生物分子构成了生物材料，再由生物材料构成了生物部件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的。生物材料中有很多结构材料，包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、脏、皮肤等软组织材料；还有许多功能材料所构成的功能部件，如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长着不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人工替代物，也可以在非医学领域中使用，前者如人工瓣膜、人工关节等，后者则有模拟生物蒙古合剂、模拟酶、模拟生物膜等。下面从几个角度介绍生物材料智能化的发展及现状。1）智能生物材料及组织工程：从材料科学与工程观点，可以将组织视同细胞复合材料。它由具有功能作用的细胞及其合成的细胞外基质（ECMs）构建。组织工程是工程科学与生命科学的交叉与融合，着眼于开发细胞外基质的取代物，以修复、控仰、剪切、维持或改善组织功能。这-组织工程领域正在形成新学科，孕育着新的高科技产业。组织工程的发展对生物材料提出了挑战，即期望它能仿照目标细胞的微环境，使细胞粘连、迁移、增殖与分化，让细胞保持其功能，实施营养物和代谢物的传递、能量传递、信息传输，以维持细胞增殖、分化和凋亡的适宜平衡，构成工程化的组织。2）可以新陈代谢的材料：新陈代谢是生物体医治伤残的自我修复功能的根源，这种功能已成为对工业材料的一个研制目标，就是使疲劳或龟裂的材料休一段时间（不使用）后能恢复原来的状态。3）向外部告知状态的材料：生物的功能之一就是能告诉与正常情况的偏离。平时不爱动的人，偶尔运动，腿就会痛。熬夜眼睛就会充血，胃不好舌头就起白苔，这些都是对异常的警告信号。因此最好让材料具备一种功能，当它在反复应力作用下疲劳，或长时间加负载产生蠕变而接近断裂时，材料本身就变色或向外部告诉这种变化情况。即使材料本身做不到这一步，也可以在材料中重要的部位埋入小的传感器（不能影响其强度），例如光色器在受反复应力时特性发生变化的半导体能起这种作用，材料本身可变色，或能用非接触检测器从外部检测就可以了。2.3功能材料智能化功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学等功能，能产生特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于高科技领域的高新技术材料，新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。为将生物体组织所具有的剌激响应功能引人到工业材料并开发现智能材料发达国家正加大投人，组织共同研究实体，开展国际合作。目前在国际上比较有代表性的研究有如下几种：1）实验室中生长的角膜：角膜是一种透明且富有韧性的组织，其功能是容许光透过并保护眼内器官，角膜受伤或疾患会使它变浑浊，损及视力，甚至失明。虽可用正常角膜进行移植，但供体有限，科学家们正努力用培养的人角膜细胞构建人角膜取代物。角膜含有三类细胞，即构成外层的上皮细胞、聚集在基膜的角质形成细胞及内层的内皮细胞。采用戊二醋交联的胶原-硫酸软骨索基质作为组织基材，将人死亡后的角膜低传代细胞分别按层次种植形成基质层、上皮层和下皮层。此类结构物置于适宜的培养介质中，一旦底层的上应融合，再将其置于空气中使它分化成多层。也可把角膜内皮放在底层，在空气-液体界面顶层与低传代人角膜细胞来构筑角膜取代物。组装的角膜取代物分化两周再应用。角膜取代物的总体形态、透明性和组织学上均和人角膜类似。添加血纤蛋白修饰基质，可使其生成血管，这种取代物具有移植前景。2）光驱动元件：日本学者用紫外线辐照芳基乙炔化合物单晶使其转变成蓝色，且它们的表面产生阶梯或谷槽状皱纹，将此结晶暴露于可见光，则又回复无色和平整状态，这种可逆的形状变化可望用做光驱动纳米元件。时间延长，阶梯数目增多且其高度增大，变化至少达1nm。这是因为芳基乙炔化合物闭环使分子堆砌较紧密，在可见光下处于开环型，化合物的噻吩环旋转且拉伸，使谷槽填实或阶梯平整。这一实例说明某些结晶能在外界刺激下发生内部变化，改变其形貌，且能重新以有序方式愈合。3）特异蛋白质：日本学者以免疫球蛋白G作为抗原及相应山芋抗体，将其分别修饰水凝胶的聚合物链，使抗原和抗体结合形成凝胶的交联位点。添加自由抗原导致其对抗体的竞争结合，干扰交联水凝胶可逆溶胀。此水凝胶可用于智能药物释放装置。专一抗原能引导装置靶向癌细胞，凝胶在此抗原存在时才释放抗癌药物。他们正在探索将生物化学相互作用（即生物分子间的结合作用）转变成机械力。4）化学组装电子纳米计算机：美国科学家和惠普公司的研究者们将许多分子开关和纳米导线组装成逻辑电路与记忆电路，试图创建纳米计算机。他们利用氧化还原活性索炬，将磷脂质抗衡离子单层插入两电极间构成固态分子开关装置。施加不同的电压能使开关重复“开启”和“关闭”，且写入状态。2.4结构材料智能化结构材料是以力学性能为基础，来制造受力构件的材料，此外结构材料对物理或化学性能也有一应的要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化性等。陶瓷及其复合材料经常被用作结构材料，但由于可靠性低而使其应用受到局限，陶瓷承受应力时会因裂缝的扩展而引起其前端应力集中导致破坏。陶瓷的力学性质难于确保，而寿命预测又较困难。陶瓷材料可靠性取决于：1）确立能测定微细结构的非破坏性检验方法;2）建立断裂行为解析为基础的可靠性试验法；3）分散增强、纤维增强和层压等复合增韧，此类方法虽近年来进展显著，但还不能充分确保其可靠性。因而出现了可对材料自身损伤完成诊断和寿命预告的智能材料。此类材料能检测和诊断其损伤程度，即具有“自行诊断功能”，且有认知损伤程度的“损伤显示功能”，更能使创伤自我修复，即具有“自修复”和“自愈合功能”及在使用环境下形成材料结构的“自组装功能”。再者从降低环境负荷和再循环角度，还要求材料具有“自分解性”和“自转变性”。因而，结构材料的智能化与功能材料相比要困难得多，它要求材料能检出（诊断）缺陷、由热历史和力学历史伴生的微小裂纹以、及残余应力等引起的材料内部微小损伤，以预测其危险性。结构材料智能化的相关传感功能实施可利用入射激光损耗（光纤复合化）、电导率的变化（碳纤维复合化）、表面弹性波、声发射和磁变形效应等原理.执行动能常采用压电元件使基材变形，即微裂缝闭合;或让形状记忆合金通电加热产生相转变，使龟裂闭合。结构材料的智能化不能损及力学性能。金属间化合物不仅耐热，且力学性能良好，还具有形状记忆功能、高磁导率、疲劳诱发相转变现象和储氧功能等特点。3.智能材料的发展趋势现代航空、航天、舰船、原子能、交通、机械、建筑、医疗等工业领域的发展，使得原来应用的各种材料，除了具有使用功能外，还要求具有安全性，即具有实现自诊断、损伤f印制、自修复相寿命预报等功能，智能材料则完全可以实现这些要求，智能材料的概念一经提出，立即引起美国、日本和欧洲等发达国家重视，并投巨资成立专门机构开展这方面研究。目前，智能材料的研究经过基础性研究与探索，已在基本原理、传感器研制、作动器研制、功能器件与复合材科之间匹配技术、智能材料成型工艺技术、智能材料在特殊环境下的性能评价、主动控制智能器件等方面开展了许多工作，取得较大突破并且已经从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段，预计在未来的十年内智能材料的研究将全