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生物材料纳米力学研究

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浏览:- 发布日期:2018-07-13 14:31:12【

[文章导读] (纳米力学)材料在纳观尺度上的性能明显不同于在宏观甚或微观尺度上的性能。

天然生物材料由于长期与自然环境之间的物质、能量和信息交换而进化出适应环境的结构和功能。面向生物学、医学及仿生学等领域的科学技术的需求,纳米力学人们对天然生物材料进行了广泛的研究,包括其进化过程、组织结构特征、性能或功能与其结构的关系、对外部激励的响应行为及机理等。纳米力学人们根据天然生物材料的结构特征及其对性能或功能的作用机理,发展了多种仿生材料,如仿生复合材料,包括纳米复合材料,使仿生材料成为材料科学与工程科学中的一个重要研究领域。纳米力学仿生材料研究可大致分为两个方面:一是根据工程现象或技术问题,纳米力学对相关的天然生物材料进行研究,探求其性能或功能与结构的关系,建立天然生物材料的结构模型;一是在天然生物材料结构研究基础上,进行相应的仿生材料设计和制造。纳米力学天然生物材料结构及其性能或功能相关性研究是仿生材料研究的基础。关于天然生物材料结构和性能研究从宏观尺度认识向微观、纳观尺度认识方向发展,纳米力学材料在纳观尺度上的性能明显不同于在宏观甚或微观尺度上的性能。


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近年来仿生学家对昆虫的特殊结构和生理机制产生了浓厚的兴趣。从自然进化角度而言,昆虫进化史远早于人类,具有更高的优适性能;纳米力学从功能学角度而言,昆虫具有多种运动形态(如飞行、跳跃、爬行等)和优异的适应环境的能力,昆虫体壁具有保护身体的功能,使其具有特殊的材料和结构,以实现其轻质高效的功能。纳米力学就昆虫数量来说,昆虫约占所有已知动物种类的70%,其中鞘翅目是最大的目,约有33万种以上,意味着鞘翅目昆虫的体壁是重要的自然结构材料;纳米力学在仿生相似性上,昆虫系统与微机械系统在很多方面是相同的,它们的力学相互作用发生在相同的尺度和应力范围,而且润湿性、微观结构或者表面化学等方面的性质都会强烈影响整个系统的性能。物理学和化学领域的科学技术的发展以及现代信息技术的进步导致了纳米力学测试系统的发明,纳米力学使得人们在微牛和纳牛尺度下测量生物结构的力学性能得以实现。

上世纪90年代初兴起的纳米科技是在纳米尺度上(1nm100nm)之间上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用,纳米力学以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米测试技术是纳米材料和材料纳米性能研究与发展的重要基础。

当把宏观物体细分成亚微米或纳米尺度颗粒后,显示出许多奇异的特性,其力、电、热、光、磁、化学性质与宏观固体有显著不同,纳米力学这些特殊性质主要取决于它的表面效应、尺寸效应和量子效应等,而这些研究的飞速发展对纳米测试技术提出了迫切的更高要求。

1982年,BinningRohrer首先研制成功扫瞄隧道显微镜(STM),开创了纳米尺度形貌观测的新时代。原子力显微镜(AFM)和纳米硬度计的出现,纳米力学使得材料在纳米尺度上的力学性能测试成为可能,进一步推动了纳米力学测试技术的发展。已有数家公司,如美国的MTS公司、瑞士的FEMTOOLS公司、英国的Micromaterials公司和澳大利亚ASI公司推出商用化的纳米力学测试仪器。纳米力学实时定量感应深度变化的纳米硬度计,通过连续记录的载荷——位移加卸载曲线,可获得材料的弹性模量、硬度、刚度等机械性能数值。纳米硬度计的载荷精度已达到几十个纳牛顿,纳米力学位移精度可达0.1 nm,可以精确地完成量程为数十个纳米的压痕实验,形成了纳米压痕测量技术。

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