智能材料及其發(fā)展

1、智能材料及其發(fā)展智能材料及其發(fā)展1.材料的發(fā)展材料的發(fā)展材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或者其他產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活、生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的工具，與信息、能源并列為人類賴以生存、現(xiàn)代文明賴以發(fā)展的三大支柱。材料也是人類進(jìn)化的標(biāo)志之一，一種新材料的出現(xiàn)必將促進(jìn)人類文明的發(fā)展和科技的進(jìn)步，從人類出現(xiàn)，經(jīng)歷舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅時(shí)代……，一直到21世紀(jì)，材料及材料科學(xué)的發(fā)展一直伴隨著人類的文明的進(jìn)步。在人類文明

2、的進(jìn)程中，材料大致經(jīng)歷了一下五個(gè)發(fā)展階段。1）利用純天然材料的初級(jí)階段：在遠(yuǎn)古時(shí)代人類只能利用純天然材料（如石頭、草木、野獸毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所說的舊石器時(shí)代。這一階段人類只能對(duì)純天然材料進(jìn)行簡(jiǎn)單加工。2）單純利用火制造材料階段：這一階段跨越了新石器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代，它們風(fēng)別已三大人造材料為象征，即陶、銅、鐵。這一時(shí)期人類利用火來進(jìn)行燒結(jié)、冶煉和加工，如利用天然陶土燒制陶、瓷、磚、瓦以及后來的玻璃、水泥等，從天然礦

3、石中提煉銅、鐵等金屬。3）利用物理和化學(xué)原理合成材料階段：20世紀(jì)初，隨著科學(xué)的發(fā)展和各種檢測(cè)手段及儀器的出現(xiàn)，人類開始研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，并以凝聚態(tài)物理、晶體物理、固體物理為基礎(chǔ)研究材料組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并出現(xiàn)了材料科學(xué)。這一時(shí)期，人類利用一系列物理、化學(xué)原理、現(xiàn)象來創(chuàng)造新材料，這一時(shí)期出現(xiàn)的合成高分子材料與已有的金屬材料、陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料）構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱。除此之外，人類還合成了一系

4、列的合金材料和無(wú)機(jī)非金屬材料，如超導(dǎo)材料、光纖材料、半導(dǎo)體材料等。4）材料的復(fù)合化階段：這一階段以20世紀(jì)50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)為開端，人類開始使用新的物理、化學(xué)技術(shù)，根據(jù)需要制備出性能獨(dú)特的材料。玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是這一階段的杰出代表，它們都是為了適應(yīng)高科技的發(fā)展和提高人類文明進(jìn)步而產(chǎn)生的。5）材料的智能化階段：自然界的材料都具有自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)的功能。如所有的動(dòng)物和植物都能在沒有受到毀滅性打擊的情況下

5、進(jìn)行自診斷和修復(fù)。受大自然的啟發(fā)，近三四十年的研發(fā)，一些人工材料已經(jīng)具備了其中的部分功能，即我們所說的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等。但是從嚴(yán)格意義上將，目前研制成功的智能材料離理想的智能材料還有一定的距離。材料科學(xué)的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：超純化（從天然材料到復(fù)合材料）、量子化材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、臟、皮膚等軟組織材料；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細(xì)胞組成的薄膜內(nèi)而形

6、成的無(wú)散射、無(wú)吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內(nèi)生長(zhǎng)著不同功能的材料和部件，材料科學(xué)的發(fā)展方向之一是模擬這些生物材料制造人工材料。它們可以做生物部件的人工替代物，也可以在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用，前者如人工瓣膜、人工關(guān)節(jié)等，后者則有模擬生物蒙古合劑、模擬酶、模擬生物膜等。下面從幾個(gè)角度介紹生物材料智能化的發(fā)展及現(xiàn)狀。1）智能生物材料及組織工程：從材料科學(xué)與工程觀點(diǎn)，可以將組織視同細(xì)胞復(fù)合材料。它由具有功能作用的細(xì)胞及其合成的細(xì)胞外基質(zhì)（EC

7、Ms）構(gòu)建。組織工程是工程科學(xué)與生命科學(xué)的交叉與融合，著眼于開發(fā)細(xì)胞外基質(zhì)的取代物，以修復(fù)、控仰、剪切、維持或改善組織功能。這組織工程領(lǐng)域正在形成新學(xué)科，孕育著新的高科技產(chǎn)業(yè)。組織工程的發(fā)展對(duì)生物材料提出了挑戰(zhàn)，即期望它能仿照目標(biāo)細(xì)胞的微環(huán)境，使細(xì)胞粘連、遷移、增殖與分化，讓細(xì)胞保持其功能，實(shí)施營(yíng)養(yǎng)物和代謝物的傳遞、能量傳遞、信息傳輸，以維持細(xì)胞增殖、分化和凋亡的適宜平衡，構(gòu)成工程化的組織。2）可以新陳代謝的材料：新陳代謝是生物體醫(yī)治傷

8、殘的自我修復(fù)功能的根源，這種功能已成為對(duì)工業(yè)材料的一個(gè)研制目標(biāo)，就是使疲勞或龜裂的材料休一段時(shí)間（不使用）后能恢復(fù)原來的狀態(tài)。3）向外部告知狀態(tài)的材料：生物的功能之一就是能告訴與正常情況的偏離。平時(shí)不愛動(dòng)的人，偶爾運(yùn)動(dòng)，腿就會(huì)痛。熬夜眼睛就會(huì)充血，胃不好舌頭就起白苔，這些都是對(duì)異常的警告信號(hào)。因此最好讓材料具備一種功能，當(dāng)它在反復(fù)應(yīng)力作用下疲勞，或長(zhǎng)時(shí)間加負(fù)載產(chǎn)生蠕變而接近斷裂時(shí)，材料本身就變色或向外部告訴這種變化情況。即使材料本身做不

9、到這一步，也可以在材料中重要的部位埋入小的傳感器（不能影響其強(qiáng)度），例如光色器在受反復(fù)應(yīng)力時(shí)特性發(fā)生變化的半導(dǎo)體能起這種作用，材料本身可變色，或能用非接觸檢測(cè)器從外部檢測(cè)就可以了。2.3功能材料智能化功能材料智能化功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等功能，能產(chǎn)生特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料，新材料領(lǐng)域的核心，是

10、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。功能材料不僅對(duì)高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用，還對(duì)相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級(jí)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用。為將生物體組織所具有的剌激響應(yīng)功能引人到工業(yè)材料并開發(fā)現(xiàn)智能材料發(fā)達(dá)國(guó)家正加大投人，組織共同研究實(shí)體，開展國(guó)際合作。目前在國(guó)際上比較有代表性的研究有如下幾種：1）實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的角膜：角膜是一種透明且富有韌性的組織，其功能是容許光透過并保護(hù)眼內(nèi)器官，角膜受傷或疾患會(huì)使它變渾濁，損及