仿生材料：設(shè)計(jì)與合成

仿生材料是通過(guò)學(xué)習(xí)、模仿和優(yōu)化自然界生物材料的結(jié)構(gòu)與功能，開(kāi)發(fā)出的新一代材料，具有性能優(yōu)于傳統(tǒng)人工材料、可更好服務(wù)于人類等特點(diǎn)。仿生材料的研究將自然界材料的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)同互補(bǔ)有機(jī)結(jié)合，為解決現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)難題提供了新思路、新理論和新方法。
本書(shū)共分9章，系統(tǒng)闡釋了仿生材料的研究?jī)?nèi)容與研究意義、可供模仿的材料模本、仿生材料的設(shè)計(jì)理念與基本要素，重點(diǎn)介紹了各類仿生材料的研究熱點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則、應(yīng)用領(lǐng)域。本書(shū)具有系統(tǒng)性、前沿性、創(chuàng)新性和趣味性，特別是書(shū)中詳述的大量生動(dòng)實(shí)例和最新研究進(jìn)展，將會(huì)讓讀者收獲頗豐。
本書(shū)可作為仿生科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、生物工程、機(jī)械工程等專業(yè)的教師、本科生、研究生的教學(xué)或科學(xué)研究參考書(shū)，也可供相關(guān)學(xué)科專業(yè)的研究人員、技術(shù)人員和管理人員參考。

梁云虹，吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，博士生導(dǎo)師，工程仿生國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、工程仿生國(guó)家國(guó)際合作基地副主任，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)航天與機(jī)械學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者。國(guó)家自然科優(yōu)秀青年基金獲得者，國(guó)家未來(lái)科學(xué)家項(xiàng)目獲得者，吉林大學(xué)唐匡特聘領(lǐng)軍教授、吉林大學(xué)雙帶頭人工作室負(fù)責(zé)人、吉林大學(xué)優(yōu)秀青年教師精英培養(yǎng)計(jì)劃獲得者。教育部人才項(xiàng)目評(píng)審專家，教育部學(xué)位論文評(píng)審專家、國(guó)家自然基金項(xiàng)目評(píng)審專家。擔(dān)任國(guó)際仿生工程學(xué)會(huì)青年委員、《JournalofBionicEngineering》、《Bio-DesignandManufacturing》青年編委和吉林省增材制造學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)等。 近年來(lái)主要從事仿生功能材料制造與多功能3D打印裝備開(kāi)發(fā)研究，主持主持國(guó)家自然基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)子項(xiàng)、裝備預(yù)研教育部聯(lián)合基金、軍委基礎(chǔ)加強(qiáng)課題等國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目20余項(xiàng)；一作者或通訊在AdvancedScience、AdvancedFunctionalMaterials、Small等雜志發(fā)表SCII/EI論文60篇以上，出版《仿生學(xué)導(dǎo)論》、《耦合仿生學(xué)》專著2部，牽頭制訂機(jī)械部件輕量化國(guó)家團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。獲吉林省青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)商業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)系合科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、吉林省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、吉林省自然科學(xué)學(xué)術(shù)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng)。

系統(tǒng)全面：涵蓋仿生材料多方面，從基本概念到前沿進(jìn)展，展現(xiàn)清晰學(xué)科脈絡(luò)。 前沿新穎：引用國(guó)際知名期刊實(shí)例，呈現(xiàn)國(guó)際前言研究成果與熱點(diǎn)。 創(chuàng)新編排：通過(guò)對(duì)比分析強(qiáng)調(diào)向自然學(xué)習(xí)，獨(dú)具啟發(fā)。 趣味豐富：引入大量實(shí)例，激發(fā)對(duì)大自然的興趣與敬畏。 適用廣泛：融合科普與專業(yè)，適用于多專業(yè)學(xué)生及相關(guān)研究人員。 作者資深：作者研究經(jīng)驗(yàn)豐富，教學(xué)成果顯著。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱，材料與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、人民生活密切相關(guān)。仿生材料指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而開(kāi)發(fā)的材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，仿生材料的體系和內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，突出的特點(diǎn)是仿生學(xué)與材料科學(xué)緊密結(jié)合、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密結(jié)合。研究仿生材料的重要科學(xué)意義在于，它將自然界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化形成的材料結(jié)構(gòu)與功能，通過(guò)學(xué)習(xí)、模仿和優(yōu)化，轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)于傳統(tǒng)人工材料、可更好服務(wù)于人類的新一代材料。仿生材料的研究將自然界材料的結(jié)構(gòu)功能協(xié)同互補(bǔ)有機(jī)結(jié)合，在生物學(xué)和技術(shù)之間架起了一座橋梁，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)自然、模仿自然、超越自然的目標(biāo)，為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了新思路、新理論和新方法，對(duì)解決現(xiàn)有技術(shù)難題提供了助力。然而，一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)仿生材料進(jìn)行系統(tǒng)性介紹的學(xué)術(shù)性書(shū)籍，而適用于高等院校和科研機(jī)構(gòu)人才培養(yǎng)的材料仿生學(xué)教學(xué)用書(shū)也少見(jiàn)。鑒于此，我們撰寫(xiě)了本書(shū)。
本書(shū)著者從事仿生材料研究已20余載，也擔(dān)負(fù)著碩士生、博士生的指導(dǎo)與教學(xué)任務(wù)。2005年，吉林大學(xué)設(shè)立了仿生科學(xué)與工程碩士學(xué)位點(diǎn)和博士學(xué)位點(diǎn)，2019年，吉林大學(xué)設(shè)立了仿生科學(xué)與工程新工科本科專業(yè)，并開(kāi)設(shè)了多門(mén)有關(guān)仿生材料的本科生、研究生課程，其中“材料仿生學(xué)”“仿生智能材料”“仿生制造基礎(chǔ)”由我們承擔(dān)，但一直未有正式的書(shū)面教材。
本書(shū)由梁云虹構(gòu)思，擬訂全書(shū)章節(jié)綱目，提供積累的相關(guān)資料，并對(duì)全書(shū)進(jìn)行了統(tǒng)稿、修改、補(bǔ)充與完善；全書(shū)由梁云虹、馬愫倩、劉子睿與李依凡共同執(zhí)筆。
本書(shū)從仿生材料入手，試圖對(duì)仿生材料的設(shè)計(jì)理念、功能結(jié)構(gòu)、前沿進(jìn)展盡可能做全面介紹。第1章概述了材料仿生學(xué)的定義、研究?jī)?nèi)容與研究意義等。第2章呈現(xiàn)了自然界中可供人類模仿的材料模本，包括生物材料、生境材料、生活材料等。第3章著重講解材料仿生設(shè)計(jì)的基本理念與要素，包括材料成分與結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)、材料形成過(guò)程仿生設(shè)計(jì)、生物質(zhì)仿生設(shè)計(jì)、能量傳遞仿生設(shè)計(jì)等，這是制備高性能仿生材料的基礎(chǔ)。第4章聚焦仿生材料的研究熱點(diǎn)和前沿，如仿生超材料、仿生石墨烯材料、仿生活性材料等。第5章～第8章分別闡述了仿生復(fù)合材料、仿生結(jié)構(gòu)材料、仿生功能材料、仿生智能材料的設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用。第9章為結(jié)論與展望。本書(shū)具有以下特點(diǎn)：
① 系統(tǒng)性圍繞仿生材料的基本特性，系統(tǒng)講述了仿生材料的基本概念、基本理論、設(shè)計(jì)要素、制備方法、研究實(shí)例，也闡明了材料仿生學(xué)在不斷深化、不斷擴(kuò)展的過(guò)程中，已發(fā)展成為脈絡(luò)清晰、縱橫交融、多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。
② 前沿性本書(shū)引用Nature、Science、PNAS等國(guó)際著名期刊最近發(fā)表的許多研究實(shí)例，介紹了仿生材料的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域和最新研究成果，展現(xiàn)了仿生材料多學(xué)科交叉前沿研究的驚人進(jìn)展。
③ 創(chuàng)新性在介紹仿生材料研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本書(shū)通過(guò)人工材料與生物材料多個(gè)方面的大量比照分析，闡明了自然是人類之師，人類一定要向自然學(xué)習(xí)。這一創(chuàng)新性的編排將會(huì)使讀者受到啟發(fā)。
④ 趣味性本書(shū)有意識(shí)地引入大量實(shí)例，不僅有仿生的經(jīng)典范例和近年來(lái)的研究成果，更有生物和大自然才智的精彩展現(xiàn)，目的是激發(fā)人們對(duì)大自然的敬畏和熱愛(ài)，引導(dǎo)讀者對(duì)仿生的興趣、關(guān)注與參與。
本書(shū)將科普與專業(yè)相結(jié)合，可作為仿生科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、生物工程、機(jī)械工程等專業(yè)的研究生和大學(xué)本科高年級(jí)學(xué)生的教學(xué)用書(shū)，以及從事該領(lǐng)域相關(guān)研究的技術(shù)人員的參考書(shū)，亦可作為科學(xué)愛(ài)好者的科普讀物。如果本書(shū)能夠引起廣大讀者對(duì)仿生材料的興趣，我們將倍感欣慰！
本書(shū)在撰寫(xiě)過(guò)程中參閱和引用了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，在此，向所有原作者表示感謝，同時(shí)，向關(guān)心、支持本書(shū)著述、出版的專家、學(xué)者和同事謹(jǐn)致謝意。
鑒于仿生材料領(lǐng)域發(fā)展快、應(yīng)用廣，幾乎每天都有新進(jìn)展和新成果，因此在內(nèi)容上可能會(huì)有考慮不周或遺漏之處。此外，限于著者學(xué)識(shí)與精力，書(shū)中難免會(huì)有疏漏與不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

著者

第1章材料仿生學(xué)概述001
1.1材料仿生學(xué)含義001
1.2材料仿生學(xué)研究?jī)?nèi)容002
1.3仿生材料的分類007
1.4材料仿生學(xué)研究意義009
參考文獻(xiàn)009

第2章大自然中的材料011
2.1生物材料011
2.1.1生物功能材料特性研究011
2.1.2生物現(xiàn)象材料特性研究015
2.2生活材料018
2.2.1日常生活材料研究018
2.2.2人文生活材料研究023
2.2.3本體生活材料研究027
2.3生境材料035
2.3.1自然景觀材料研究036
2.3.2自然現(xiàn)象材料研究041
2.3.3自然生態(tài)材料研究046
參考文獻(xiàn)049

第3章材料仿生設(shè)計(jì)理念054
3.1基于生物材料成分與結(jié)構(gòu)特性的設(shè)計(jì)054
3.2基于生物材料形成過(guò)程的仿生設(shè)計(jì)059
3.3基于生物質(zhì)的仿生設(shè)計(jì)066
3.3.1動(dòng)物生物質(zhì)材料仿生設(shè)計(jì)066
3.3.2植物生物質(zhì)材料仿生設(shè)計(jì)073
3.3.3微生物生物質(zhì)材料仿生設(shè)計(jì)080
3.4基于物質(zhì)與能量傳遞行為的仿生設(shè)計(jì)083
3.4.1光合作用084
3.4.2新陳代謝087
3.5基于生境材料的仿生設(shè)計(jì)089
參考文獻(xiàn)093

第4章材料仿生研究前沿097
4.1仿生超材料097
4.2仿生石墨烯材料103
4.3類生命仿生活性材料108
4.4微型電池仿生材料112
4.5仿生類腦材料117
4.6仿生柔性傳感材料120
參考文獻(xiàn)124

第5章仿生復(fù)合材料127
5.1仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)原則127
5.1.1復(fù)合相設(shè)計(jì)127
5.1.2復(fù)合界面設(shè)計(jì)130
5.2仿生高分子基復(fù)合材料134
5.3仿生金屬基復(fù)合材料138
5.4仿生無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料141
參考文獻(xiàn)144

第6章仿生結(jié)構(gòu)材料146
6.1仿生結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)原則146
6.2仿生多孔結(jié)構(gòu)材料153
6.3仿生螺旋結(jié)構(gòu)材料157
6.4仿生梯度結(jié)構(gòu)材料160
參考文獻(xiàn)164

第7章仿生功能材料167
7.1仿生功能材料設(shè)計(jì)原則167
7.2仿生超浸潤(rùn)材料171
7.3仿生變色材料177
7.4仿生超強(qiáng)韌材料181
參考文獻(xiàn)185

第8章仿生智能材料187
8.1仿生智能材料設(shè)計(jì)原則187
8.2仿生感知與驅(qū)動(dòng)材料189
8.3仿生4D材料197
8.4仿生形狀記憶材料201
8.5仿生傳感材料206
參考文獻(xiàn)212

第9章結(jié)論與展望215