建材仿生學(xué)研究綜述

蔣冬青

(湖南建材高等專科學(xué)校421008衡陽)

    自然界在億萬年的演化過程中孕育了各種各樣的生物，每種生物都擁有神奇的特性和功能，它們均是“物競天澤適者生存”的佼佼者。通過研究、學(xué)習(xí)、模仿來復(fù)制和再造某些生物的特性和功能，將極大的提高人類對自然的適應(yīng)和改造能力，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。這樣一門綜合性的學(xué)科——仿生學(xué)便應(yīng)運而生了。現(xiàn)代仿生學(xué)已延伸到很多領(lǐng)域，建材仿生是其應(yīng)用領(lǐng)域之一。建材仿生就是研究和仿照生物軀體的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、色彩及生態(tài)功能，設(shè)計和制造出卓有成效的新型材料，來滿足人類對建材性能和品種日益增長的需要。它是當(dāng)前國內(nèi)外建材研究中引人關(guān)注的領(lǐng)域之一。

1、結(jié)構(gòu)仿生建材

    結(jié)構(gòu)仿生建材是通過研究生物肌體的構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的建筑材料，通過結(jié)構(gòu)相似實現(xiàn)功能相近。

    在建材的結(jié)構(gòu)上，人們利用仿生學(xué)的原理，取得了很大的成效。以蜜蜂為例，它不僅是蜂蜜和蜂乳的釀造者，而且還是生物界出色的“建筑師”。蜜蜂用蜂蠟建造起來的蜂巢是一座既輕巧又堅固、既美觀又實用的杰出建筑物。輕質(zhì)高強(qiáng)，是建筑材料的發(fā)展方向。人們從蜂巢上獲得了啟示，為了減輕鋼筋砼的自重，

    創(chuàng)造發(fā)明了蜂窩泡沫砼，如加氣砼，還有泡沫塑料、泡沫橡膠、泡沫玻璃等等。實踐證明，這些內(nèi)有氣泡的蜂窩狀材料，既隔熱又保溫，結(jié)構(gòu)輕巧又美觀。目前，它們已在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。

    由于內(nèi)含纖維素，使木材具有許多優(yōu)良性能，如輕質(zhì)高強(qiáng)、彈性韌性好、能抵抗沖擊和振動。人們由此受到啟發(fā)，制造出許多纖維材料，如摻加石棉纖維的石棉水泥瓦，摻加木質(zhì)纖維的波形瓦。近來美國研制一種玻璃纖維瓦，其核心由有機(jī)纖維玻璃薄墊物構(gòu)成，除具有一般纖維瓦的性能外，還具有較好的耐用性和防火性能。最近在澳大利亞，為了保護(hù)森林資源，采用易生長的竹子制作竹漿纖維，來增加水泥制品的抗折性和斷裂韌性。而印度現(xiàn)正采用稻谷殼制取輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維板。日本在普通砼中摻加約1％的長纖維狀分子添加劑，這種纖維互相纏成網(wǎng)狀，其形狀模仿蜘蛛織成的網(wǎng)，使纖維分子的粘度增加，包住砼的組分，從而可使砼在水中凝固，便于水下工程的施工。

    生物材料的微觀組織和性能關(guān)系的研究為材料合成技術(shù)提供了許多新的思想。研究發(fā)現(xiàn)，盡管是同一種材料，但其組織形態(tài)差異很大，有的可提供極高的力學(xué)性能。例如，科學(xué)家對昆土蘭果殼的研究發(fā)現(xiàn)，它所以極難形成裂紋的原因是堅硬的果殼含有纖維束，而且是任意方向的，幾乎100％占據(jù)了殼的空間，在整體上形成各向同性體。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是不存在任何薄弱的環(huán)節(jié)使裂紋得以傳播。這表明在微集料型建筑材料中，纖維型集料必須在各個方向上無定向分布才能達(dá)到最佳的強(qiáng)度，或者盡可能使纖維狀礦物在材料中無擇優(yōu)取向性生長。前者的原理可應(yīng)用于玻璃纖維等作集料的墻體材料或其它建材制品中，后者的原理可應(yīng)用于石膏及微孔硅酸鈣等制做墻體材料或其它建材制品中。

    迄今為止，所有的材料都是死物。能不能研究出一種具有生命活力的材料呢?國外有的科學(xué)家設(shè)想，通過生物工程的研究，把大海里的珊瑚蟲繁衍成的礁島，改造成一種能按人的要求而生成的高樓、大壩、碼頭等建筑物，或在陸地先造出房屋的金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后放到海里，讓軟體動物填滿網(wǎng)格，等到動物死去，大量動物尸體硬化，由珊瑚和貝殼等復(fù)合材料構(gòu)成的房屋結(jié)構(gòu)也就完成了。用這種方法建造海洋工程及沿海房屋，具有施工方便、就地取材、速度快、造價低等優(yōu)點。

2、色彩和質(zhì)感仿生建材

    色彩和質(zhì)感仿生建材就是模仿生物的色彩和質(zhì)感研制出千姿百態(tài)、五彩繽紛的建筑材料。

    在我國有些建筑物內(nèi)墻和地面裝飾采用木紋色，這種淡而不薄、厚重相宜的色彩，能給人樸實、自然的感覺，可緩解人們因工作而引起的疲勞與壓力，達(dá)到較好的視覺效果。近年來，墻體裝飾材料中的乳膠漆，其色彩有的采用自然生物的顏色，如“丁香紫”、“香革黃”、“象牙白”、“淺豆綠”等色調(diào)，這種活潑清新的色調(diào)，溫馨親切，給人以美的享受，使人得到健康休閑的滿足。最近日本等一些國家研制出一種絨面涂料，除具有普通涂料的作用外，還模仿動物的皮毛和肌肉，賦予涂膜以彈性的、柔軟的手觸感和較好的消光效果，受到了市場的歡迎。荷蘭BOLL公司推出一種新型的塑料地板，是一種用維尼龍和PVC制成的復(fù)合材料，具有防腐、防靜電和抗老化的性能，其下部有氣墊底層，具有隔熱保溫的效果，踩上去富有彈性，宛如行走在羊毛地毯之上。英國已經(jīng)研制成功一種具有多種用途的彈性水泥，具有較強(qiáng)的抗沖擊和折斷的能力。

3、化學(xué)成分仿生建材

    化學(xué)成分仿生建材就是研究和模仿生物體的化學(xué)成分及其形成的機(jī)理，并以新的方式來生產(chǎn)出新型建材。

    在化學(xué)成分上，人們發(fā)現(xiàn)，生物汲取自然界的物質(zhì)元素構(gòu)成它們的自身，并不象人類研制材料那樣大動干戈，采用很多種元素，把成分和配比弄得很復(fù)雜，并且很多材料還要經(jīng)過高溫?zé)�結(jié)。許多生物僅用了一百零幾種元素中的十幾種，就組成了儀態(tài)萬千、性能優(yōu)異的材料。例如，貝殼的抗張強(qiáng)度高達(dá)l00兆帕，遠(yuǎn)大于水泥。其實，它的成分很簡單，95％是石灰石(碳酸鈣)，5％是蛋白質(zhì)，兩者粘結(jié)成堅不可摧的整體，而且并不需要高溫?zé)�結(jié)。這就給人們很大的啟示，促使人們尋找化學(xué)組成簡單、工藝簡化并節(jié)省能量、減少環(huán)境污染的新型建材。如美國國家實驗室已研制出一種高強(qiáng)度聚合物水泥，它是用水溶性糠醛醇的聚合物制成的，組分少，制造工藝簡單，可快速修補(bǔ)公路、橋梁和機(jī)場跑道。

4、功能仿生建材

    功能仿生建材的目的是使人造的材料具有或能夠部分實現(xiàn)高級動物豐富的功能，如思維、感知等，也就是說能夠研制出智能化材料。

    解剖學(xué)研究表明，動物或人的皮是具有多功能結(jié)構(gòu)的典型智能生物材料之一，具有可彎曲變形、調(diào)節(jié)溫度、防水、阻止化學(xué)物質(zhì)和細(xì)菌進(jìn)入及自修復(fù)等功能的復(fù)雜層狀組織。人們從這里受到了啟發(fā)，在一些高層建筑上，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)难b飾材料，將風(fēng)、光等對建筑產(chǎn)生負(fù)面影響的能量，轉(zhuǎn)化為高層建筑環(huán)境所需能量的一部分，化害為利，變廢為寶，創(chuàng)造更富有活力的生存與行為環(huán)境，并滿足節(jié)能的要求。如比利時首都布魯塞爾馬蒂尼大廈的建筑師和工程師，模仿變色蜥蜴的皮膚對環(huán)境能做出反應(yīng)的特點，在建筑界面外裝置一層遮陽百葉作雙層皮，通風(fēng)管道置于雙層皮中。夏天可阻擋陽光，減少冷氣負(fù)荷，冬天雙層皮又可用作日光采集器，加熱空氣預(yù)熱空調(diào)。這樣既達(dá)到了裝飾的目的，又達(dá)到了節(jié)能的目的。建筑物的防水材料一直是個難題，而人和動物的皮膚具有很好的防水性能。汗液可以滲透出來，外面的水卻透不進(jìn)去。這一巧妙功能，促使人們正在探索皮膚微觀結(jié)構(gòu)的奧秘，它將為解決建筑防水問題開辟新的途徑。

    荷葉出污泥而不染，歷來為世人所稱贊，人們利用這種“荷葉效應(yīng)”，研制出各種自潔凈、防污漬材料和涂料，如自潔凈玻璃，還有利用自潔凈技術(shù)生產(chǎn)出的涂層涂覆在水龍頭、門窗等不會沾上手印及污漬等。

目前建筑物所使用的承重材料主要是鋼材、木材、石材、混凝土以及鋼材和混凝土的組合材料，這些材料的彈性模量大，即剛度較大，在外力作用下的變形幾乎用肉眼看不出來。多數(shù)材料在接近極限荷載時發(fā)生突然破壞，使得人們無法進(jìn)行破壞前的預(yù)防。而生物體的功能之一就是能向外界傳達(dá)自身的異常狀態(tài)。例如人體，當(dāng)睡眠不足的時候，眼睛會充血；體內(nèi)被病菌感染時，體溫會上升發(fā)燒等等，這些都是對自身的異常狀態(tài)向外傳遞信號。具有自我診斷、預(yù)告破壞功能的材料就是在這種思想的啟發(fā)下進(jìn)行研究的。

    功能仿生材料更加高級的功能有自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)功能。即材料能夠根據(jù)外部荷載的大小、形狀需求等，對自身的承載能力、變形性能等進(jìn)行自我調(diào)整，符合外部作用的需要，這種性能就是自我調(diào)節(jié)功能。自我修復(fù)功能是指材料本身具有類似于自然生物的自我生長、新陳代謝的功能，對遭受破壞或傷害的部位能夠進(jìn)行自我修復(fù)、自愈再生，這樣建筑物的壽命可大大延長，安全性也會得到很大提高。

    智能建材的探索和研究雖然還剛剛起步，但是隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)以及自動控制手段的不斷進(jìn)步，必將不斷取得新的進(jìn)展，未來的建筑及所用的材料將走向智能化。

    綜上所述，仿生學(xué)帶給建材研究和開發(fā)的啟示是巨大的，并且已經(jīng)取得了很大的成就。仿生建材的出現(xiàn)，能美化人們的居住環(huán)境，改善人們的生活條件，構(gòu)筑舒適迷人的生存空間。材料科學(xué)與生命科學(xué)的結(jié)合，將成為二十一世紀(jì)最有活力的學(xué)科之一，作為其分支——仿生建材的發(fā)展正方興未艾，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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[4]蔣冬青.《談建材仿生》.中國建材(J)，1997，(10)

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)