仿生材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

1、.1仿生材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景摘要：仿生材料是材料學(xué)科的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，本文介紹了環(huán)境材料的研究現(xiàn)狀，指出環(huán)境材料的合理應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮的重要作用，并從仿生材料科學(xué)與工程以及凈化環(huán)境的觀點(diǎn)介紹了仿生材料材料的主要研究研究現(xiàn)狀及其環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景，并展現(xiàn)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的材料和系統(tǒng)的構(gòu)思。關(guān)鍵詞：仿生材料、環(huán)境材料、環(huán)境保護(hù)前言：材料是直接或間接利用自然資源來(lái)制造成有用物件的物質(zhì)1,是人類社會(huì)文明進(jìn)步的物質(zhì)根底和先導(dǎo)，材料科學(xué)家把材料科學(xué)與工程定義為關(guān)于材料的組成、構(gòu)造、制備工藝與其性能及使用過(guò)程間相互關(guān)系的知識(shí)開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)2。長(zhǎng)期以來(lái)，材料的生產(chǎn)使用廢棄過(guò)程，可以說(shuō)

2、是一個(gè)提取資源，再大量地將廢棄物排回到環(huán)境之中的惡性循環(huán)過(guò)程。在這一過(guò)程中，人們?cè)诓牧显O(shè)計(jì)時(shí)很少注意到自然資源和生態(tài)環(huán)境對(duì)此惡性循環(huán)的承受能力?；诖?，曾漢民提出了促進(jìn)可持續(xù)開展的材料設(shè)計(jì)與自然資源密切關(guān)系的模式3，它充分反映出材料的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與環(huán)境、資源的和諧、協(xié)調(diào)。他認(rèn)為化學(xué)組成、物理構(gòu)造是材料的2個(gè)根本要素，決定了材料的性質(zhì)、使用性能和制備工藝。同時(shí)，這些因素與環(huán)境及資源都嚴(yán)密相關(guān)且相互作用。所謂生態(tài)材料(eeomaterials)系指從生態(tài)學(xué)角度構(gòu)思與環(huán)境協(xié)調(diào)的材料。隨著社會(huì)的開展，資源消耗急速增加，大量廢棄物及有害物的排出，使周圍環(huán)境、地球環(huán)境日益惡化。21世紀(jì)世界人口將突破100億

3、，為了解決資源和環(huán)境的協(xié)調(diào)問(wèn)題，必定要在材料科學(xué)與工程學(xué)科的開展中反映環(huán)境意識(shí)4。在環(huán)境材料中有一類是仿生材料，它指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開發(fā)的材料。我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中接觸過(guò)許多動(dòng)物與植物，他們都屬于生物的疇。在地球上所有生物都是由理想的無(wú)機(jī)或有機(jī)材料通過(guò)組合而形成，例如能夠跳動(dòng)80年都不停頓的人類心臟，幾乎不發(fā)熱量的冷血昆蟲。從材料化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，僅僅利用極少的幾種高分子材料所制造的從細(xì)胞到纖維直至各種器官能夠發(fā)揮如此多種多樣的功能，簡(jiǎn)直不可思議。因此，仿生材料學(xué)的研究容就是以說(shuō)明生物體的材料構(gòu)造與形成過(guò)程為目標(biāo)，用生物材料的觀點(diǎn)來(lái)思考人工材料，從生物功能的角度來(lái)考慮材料的設(shè)計(jì)與制作5。但

4、是迄今為止該學(xué)科未開拓的領(lǐng)域和未解決的問(wèn)題非常之多，可以認(rèn)為仿生材料學(xué)的學(xué)科體系還沒有完全形成。生態(tài)材料的仿生領(lǐng)域1.1仿自然材料自然界中的物質(zhì)和生物經(jīng)數(shù)億年以上的進(jìn)化，迄今已具有最適宜的構(gòu)造。由生態(tài)材料的觀點(diǎn)考慮，這些生物消耗適度物質(zhì)和能量而生存，能適應(yīng)環(huán)境，當(dāng)其主要功能喪失后，轉(zhuǎn)變?yōu)樨踩淮嬖诘牟牧稀Ｈ鐦涿缥仗?yáng)的能量、水分、CO2及土壤中的養(yǎng)分成長(zhǎng)為樹木。樹木死亡后細(xì)胞木質(zhì)化、心材化便得到可再生的資源，其材料化過(guò)程耗能430kWh/t，要比煉鋁的17000Wh/t和煉鋼的2700Wh/t小得多，而且廢木料燃燒時(shí)放出的熱能可再利用，在自然界中廢木料經(jīng)細(xì)菌作用可再循環(huán)。木材和人們關(guān)系密切，因

5、它具有高絕熱性、容積比熱大可調(diào)節(jié)室氣溫；它的近外表的微粒子狀物質(zhì)的擴(kuò)散反射，能很好地吸收紫外線，反射率低適應(yīng)人眼的視覺；此外它為多孔性構(gòu)造，含有水分和空氣，而部的空氣層有吸音和隔音性能。又如日常接觸的土壤具有許多優(yōu)異的功能。土壤是支撐動(dòng)、植物活動(dòng)的構(gòu)造材料，具有通透空氣和水并保持它們存在的功能；土壤中存在荷電物質(zhì)故有離子交換功能。天然材料的自然循環(huán)特性是顯而易見的，如源于巖石的石材復(fù)合構(gòu)造中各種礦物經(jīng)水合、水解，相應(yīng)成分溶解使母材解體，而殘留于土壤中。這種天然物質(zhì)長(zhǎng)期的解體、再生的循環(huán)可于低負(fù)荷下進(jìn)展。模仿這種材料的自然循環(huán)性，研究與開發(fā)了易解體材料。實(shí)際上生物的形狀及構(gòu)成生物的骨和纖維等材料

6、，其構(gòu)造能很好地適應(yīng)重力、風(fēng)和生物本身的運(yùn)動(dòng)。這和材料的微構(gòu)造、材料組成及構(gòu)造密切相關(guān)。例如在非洲南部灼熱氣候中生長(zhǎng)的稱為Fenstraria的植物，其主體埋于地下，僅葉尖露出地面，此葉端相當(dāng)于透明的窗，作為吸收光的入口，同時(shí)作為有害紫外線的濾光器，光通過(guò)葉部的透明質(zhì)均勻地在地下的葉壁分配。具有這種構(gòu)造的光能變換元件，其單位外表積的變換效率甚高，現(xiàn)正以此為模式設(shè)計(jì)三維集成化器件。1.2仿生過(guò)程為有效地協(xié)調(diào)生產(chǎn)物與自然環(huán)境之間的生態(tài)平衡，人們研究與開發(fā)了模仿生物功能的人工過(guò)程，茲舉例說(shuō)明。(1)利用細(xì)菌過(guò)程。土壤受重金屬污染可用細(xì)菌處理，如人們從重金屬污染的土壤中別離出鎘耐性菌，將其在含50g/

7、m3的培養(yǎng)導(dǎo)報(bào)基上培養(yǎng)20h，此菌可存貯27.3mg鎘，該量相當(dāng)于枯燥菌體重的53%。亦有用六價(jià)鉻耐性菌和水銀耐性霉等吸收除去Cr和Hg的報(bào)道。此外利用微生物除去活性污泥中的金屬，這可能與微生物所含的多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等的官能基與金屬結(jié)合有關(guān)。迄今地球上存在的微生物僅很少一局部被利用。極限環(huán)境(高溫、強(qiáng)酸性、高堿性、高鹽性環(huán)境、深海底和地?zé)岬?下微生物的檢索、采集、培養(yǎng)與利用是很有意義的課題。(2)生物吸著過(guò)程。生物吸著是指利用生物物質(zhì)吸著水溶液中的金屬離子使其濃縮的過(guò)程。吸著介質(zhì)可為特定的菌類和藻類，其吸著量可達(dá)33-72Omg/g。此藻類和菌類的細(xì)胞壁由蛋白質(zhì)和多糖類組成，其氨基、羧

8、基、酰胺基和羥基能與金屬離子結(jié)合，故生物吸著機(jī)理是在細(xì)胞外表迅速產(chǎn)生離子交換反響，隨之進(jìn)展擴(kuò)散與復(fù)原以及配位反響等。調(diào)節(jié)藻類溶液的pH可改變其離子吸附特性。利用生物物質(zhì)可開發(fā)出經(jīng)濟(jì)的金屬回收方法，但需進(jìn)一步研究生物生與死時(shí)吸著機(jī)理的差異。1.3仿生科學(xué)與工程旨在說(shuō)明自然過(guò)程的特征，且以人工的合成分子組成反響裝置或機(jī)械，來(lái)模擬自然過(guò)程。以此構(gòu)思金屬的精制和金屬化合物的合成過(guò)程。下面介紹以細(xì)抱為根本單元的物質(zhì)傳遞控制功能，以啟迪仿生的思路。(l)選擇性主動(dòng)傳遞過(guò)程。物質(zhì)經(jīng)細(xì)咆膜的傳遞過(guò)程與一般精制和別離過(guò)程迥異。前者是以分子或離電化學(xué)位為根底的主動(dòng)傳遞現(xiàn)象，對(duì)特定分子和離子傳遞的選擇性特別受人注目

9、。從細(xì)胞的分子生物學(xué)分析，K+在細(xì)咆的濃度比細(xì)胞外的濃度高約20倍，Na+的濃度則相反，這是由于輸運(yùn)體蛋白質(zhì)腺苷三磷酸酶(ATPase)將Na+向細(xì)咆外，而將K+向細(xì)胞主動(dòng)傳遞的結(jié)果。為模仿細(xì)胞膜的這種選擇性的主動(dòng)傳遞過(guò)程，應(yīng)設(shè)計(jì)柔性的物理或化學(xué)載體，它可使膜在低濃度側(cè)選擇性結(jié)合特定離子；而在膜的高濃度側(cè)此離子脫離。(2)選擇性被動(dòng)傳遞過(guò)程。細(xì)胞膜由于具有離子通道開閉的門功能，它的選擇性要比一般別離膜高得多。因此，仿照生體膜的離子傳遞體系，可將人工離子通道預(yù)埋于脂質(zhì)體中，進(jìn)展Co2+的選擇傳遞研究，開發(fā)具有開關(guān)功能的特定物質(zhì)傳遞器件或自動(dòng)控制物質(zhì)傳遞器件。(3)利用人工微球過(guò)程。自1965年B

10、angham用磷脂質(zhì)制成了接近細(xì)胞膜的人工脂質(zhì)雙層膜以來(lái)：生體膜的物理化學(xué)開展甚快。如研究與開發(fā)了微球狀封閉的雙層脂質(zhì)體，其大小可調(diào)節(jié)(由直徑25nm的微脂質(zhì)體到數(shù)m大小的紅血球)。此外，模仿生體膜又制成直徑m級(jí)的微囊，其部的芯物質(zhì)和外部環(huán)境隔離成微小容器。此芯物質(zhì)微粒子分散在連續(xù)介質(zhì)中，由界面聚合法成膜，膜厚可在nm到m圍調(diào)節(jié)。上述脂質(zhì)體和微囊類具有物質(zhì)傳遞控制功能。(4)利用膜動(dòng)傳遞過(guò)程。細(xì)胞獨(dú)特的物質(zhì)傳遞是很有意義的現(xiàn)象。細(xì)胞外的蛋白質(zhì)、多糖等巨大分子通過(guò)細(xì)胞膜的變形、粘連、融合和別離可在細(xì)胞外出入，即細(xì)胞的攝作用和細(xì)胞排粒作用。仿照細(xì)胞膜動(dòng)態(tài)傳遞過(guò)程雖有困難，但可啟發(fā)人們構(gòu)思選擇效率高

11、的濃縮裝置3。2、仿生材料在環(huán)境中的應(yīng)用21人造生物纖維最早開場(chǎng)研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纖維和人的皮膚的接觸感而制造的人造纖維。對(duì)蠶或者蜘蛛吐出的絲，人類自古就有很大的興趣，這些絲純粹是由蛋白質(zhì)構(gòu)成，特別是蠶絲，具有溫暖的觸感和美麗的光澤。二十世紀(jì)以來(lái)，人們模仿蠶吐絲的過(guò)程研制了各種化學(xué)纖維的紡絲方法，此后又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研制了許多新型纖維，例如，牛奶蛋白質(zhì)與丙烯晴共聚纖維(東洋紡)，商品名為稀苤的高吸濕性纖維(旭化成)等等。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)顯示了人類仿造生物纖維外表細(xì)微形態(tài)與部構(gòu)造取得了成功6。另外人們還對(duì)蠶的產(chǎn)絲體進(jìn)展了卓有成效的研究(日本農(nóng)業(yè)生物資源

12、研究所)，并且對(duì)蜘蛛絲也進(jìn)展了研究(日本島根大學(xué))，研究者們期待著有朝一日能夠制造出與蠶絲完全一樣的人造絲。22抗污染外表圖層材料“荷葉效應(yīng)和“非光滑外表理論的同時(shí)發(fā)現(xiàn)和相繼開展，展示了國(guó)外學(xué)者在仿生學(xué)研究中的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。1971-1990年，Bonn大學(xué)植物學(xué)家Borthlott等7發(fā)現(xiàn)荷葉外表的乳狀突起構(gòu)型，研究其抗污染的自清潔效應(yīng)，并將模仿荷葉所制備的納米外表涂層材料應(yīng)用于汽車制造工業(yè)和建筑工程圖1。大學(xué)任露泉等人20世紀(jì)80年代起開場(chǎng)研究蜣螂、蚯蚓、螻蛄等所謂土壤動(dòng)物體表不被粘附的問(wèn)題。生物界存在著光滑和非光滑兩種界面。傳統(tǒng)上認(rèn)為，界面越光滑，阻力越小，越不被粘附。任露泉等8發(fā)現(xiàn)，在一

13、定的條件下，生物體的一定的非光滑外表具有減粘、脫附、降阻和耐磨效應(yīng)。他們開發(fā)出仿生犁壁、推土板和不粘鍋等系列的減粘脫附仿生產(chǎn)品圖2。圖1荷葉外表的乳狀突起和污染的自清潔效應(yīng)仿Barthlott等，1997.左：荷葉外表排污現(xiàn)象；中：荷葉外表的乳狀突起；右：仿荷葉涂料的自清潔效應(yīng)，其中左側(cè)為普通涂料，右側(cè)為仿荷葉涂料4年后23仿生材料對(duì)水體中POPs的富集POPs是指持久存在于環(huán)境中，通過(guò)食物網(wǎng)積聚，并對(duì)人類安康及環(huán)境造成不利影響的化學(xué)物質(zhì)，具有持久性、生物累積性、長(zhǎng)距離大氣傳輸性和毒性。近幾十年來(lái)，國(guó)外飲用水源水中發(fā)現(xiàn)存在持久性有機(jī)污染物9-11。檢測(cè)到的POPs在水體中濃度很低，甚至在ng/

14、Lpg/L的濃度級(jí)12-13,直接導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)和有效去除的困難。所以開發(fā)新型的富集材料來(lái)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)和去除POPs就顯得非常重要。在職業(yè)病毒理學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)方面，皮膚一般被認(rèn)為是有毒物質(zhì)被攝入的通道。因此皮膚作為一種能夠吸收有毒物質(zhì)的膜受到了關(guān)注。早在1988年，Joy Houk和Richard H.Guy14在他們關(guān)于皮膚滲透研究模型回憶中詳細(xì)介紹了1988年以前在仿皮膚滲透膜方面取得的一些研究進(jìn)展。Huckins等設(shè)計(jì)了包含三油酸甘油酯的半透膜采樣器(Triolein-SPMDs)應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)15，是基于模擬生物、替代生物進(jìn)展環(huán)境監(jiān)測(cè)構(gòu)思的根底上加以設(shè)計(jì)的。低密度聚乙烯薄長(zhǎng)帶為半滲透膜

15、，三油酸甘油酯涂布于帶，整個(gè)構(gòu)造為“治狀層疊式。大多數(shù)的有機(jī)污染物分子通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散的方式進(jìn)入膜材料并在三油酸甘油酯得到富集。疏水性的聚乙烯薄膜外表對(duì)水分子的排斥作用導(dǎo)致溶解態(tài)的疏水性有機(jī)污染物通透能力差，減慢了富集速度。為此一系列以親水性的高分子膜嵌三油酸甘油酯的復(fù)合膜得到開發(fā)。包含類脂的取樣器件能夠長(zhǎng)期富集水體中的有毒有機(jī)污染物，適用于環(huán)境中低劑量的POPs富集別離檢測(cè)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。3展望以上概要地介紹了生態(tài)材料的主要研究領(lǐng)域、現(xiàn)狀及今后的開展趨勢(shì)。先進(jìn)國(guó)家自由市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的開展是以地球環(huán)境的破壞為代價(jià)的?，F(xiàn)今環(huán)境意識(shí)已逐步為人們所共識(shí)，技術(shù)與環(huán)境的協(xié)調(diào)將促進(jìn)文明。隨環(huán)境經(jīng)濟(jì)的

16、提出，生態(tài)材料的研究與開發(fā)刻不容緩地?cái)[在人們面前，實(shí)際上以仿生科學(xué)與工程為根底的生態(tài)材料學(xué)的開展必將促進(jìn)材料科學(xué)與工程學(xué)科的開展，無(wú)疑地將促進(jìn)經(jīng)濟(jì)開展，并造福人類。參考文獻(xiàn)曾漢編.高技術(shù)新材料要覽.:中國(guó)科學(xué)技術(shù),1993.603USA.National Research Council. Materials Science and En-gineering forthe 1990s.Washington D.C:National AcademyPress,1989.29Zeng Hanmin,Chen Shui*ia.Japan ECP Network Newsletter,1997.4康德

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