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    生物材料納米力學研究

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    瀏覽:- 發布日期:2018-07-13 14:31:12【

    [文章導讀] (納米力學)材料在納觀尺度上的性能明顯不同于在宏觀甚或微觀尺度上的性能。

    天然生物材料由于長期與自然環境之間的物質、能量和信息交換而進化出適應環境的結構和功能。面向生物學、醫學及仿生學等領域的科學技術的需求,納米力學人們對天然生物材料進行了廣泛的研究,包括其進化過程、組織結構特征、性能或功能與其結構的關系、對外部激勵的響應行為及機理等。納米力學人們根據天然生物材料的結構特征及其對性能或功能的作用機理,發展了多種仿生材料,如仿生復合材料,包括納米復合材料,使仿生材料成為材料科學與工程科學中的一個重要研究領域。納米力學仿生材料研究可大致分為兩個方面:一是根據工程現象或技術問題,納米力學對相關的天然生物材料進行研究,探求其性能或功能與結構的關系,建立天然生物材料的結構模型;一是在天然生物材料結構研究基礎上,進行相應的仿生材料設計和制造。納米力學天然生物材料結構及其性能或功能相關性研究是仿生材料研究的基礎。關于天然生物材料結構和性能研究從宏觀尺度認識向微觀、納觀尺度認識方向發展,納米力學材料在納觀尺度上的性能明顯不同于在宏觀甚或微觀尺度上的性能。


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    近年來仿生學家對昆蟲的特殊結構和生理機制產生了濃厚的興趣。從自然進化角度而言,昆蟲進化史遠早于人類,具有更高的優適性能;納米力學從功能學角度而言,昆蟲具有多種運動形態(如飛行、跳躍、爬行等)和優異的適應環境的能力,昆蟲體壁具有保護身體的功能,使其具有特殊的材料和結構,以實現其輕質高效的功能。納米力學就昆蟲數量來說,昆蟲約占所有已知動物種類的70%,其中鞘翅目是最大的目,約有33萬種以上,意味著鞘翅目昆蟲的體壁是重要的自然結構材料;納米力學在仿生相似性上,昆蟲系統與微機械系統在很多方面是相同的,它們的力學相互作用發生在相同的尺度和應力范圍,而且潤濕性、微觀結構或者表面化學等方面的性質都會強烈影響整個系統的性能。物理學和化學領域的科學技術的發展以及現代信息技術的進步導致了納米力學測試系統的發明,納米力學使得人們在微牛和納牛尺度下測量生物結構的力學性能得以實現。

    上世紀90年代初興起的納米科技是在納米尺度上(1nm100nm)之間上研究物質(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用,納米力學以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。納米測試技術是納米材料和材料納米性能研究與發展的重要基礎。

    當把宏觀物體細分成亞微米或納米尺度顆粒后,顯示出許多奇異的特性,其力、電、熱、光、磁、化學性質與宏觀固體有顯著不同,納米力學這些特殊性質主要取決于它的表面效應、尺寸效應和量子效應等,而這些研究的飛速發展對納米測試技術提出了迫切的更高要求。

    1982年,BinningRohrer首先研制成功掃瞄隧道顯微鏡(STM),開創了納米尺度形貌觀測的新時代。原子力顯微鏡(AFM)和納米硬度計的出現,納米力學使得材料在納米尺度上的力學性能測試成為可能,進一步推動了納米力學測試技術的發展。已有數家公司,如美國的MTS公司、瑞士的FEMTOOLS公司、英國的Micromaterials公司和澳大利亞ASI公司推出商用化的納米力學測試儀器。納米力學實時定量感應深度變化的納米硬度計,通過連續記錄的載荷——位移加卸載曲線,可獲得材料的彈性模量、硬度、剛度等機械性能數值。納米硬度計的載荷精度已達到幾十個納牛頓,納米力學位移精度可達0.1 nm,可以精確地完成量程為數十個納米的壓痕實驗,形成了納米壓痕測量技術。

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