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、構件、機器或者其他產品的物質，是人類生活、生產的基礎，是人類認識自然和改造自然的工具，與信息、能源并列為人類賴以生存、現代文明賴以發(fā)展的三大支柱。材料也是人類進化的標志之一，一種新材料的出現必將促進人類文明的發(fā)展和科技的進步，從人類出現，經歷舊石器時代、新石器時代、青銅時代……，一直到21世紀，材料及材料科學的發(fā)展一直伴隨著人類的文明的進步。在人類文明

2、的進程中，材料大致經歷了一下五個發(fā)展階段。1）利用純天然材料的初級階段：在遠古時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代。這一階段人類只能對純天然材料進行簡單加工。2）單純利用火制造材料階段：這一階段跨越了新石器時代、青銅時代和鐵器時代，它們風別已三大人造材料為象征，即陶、銅、鐵。這一時期人類利用火來進行燒結、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）利用物理和化學原理合成材料階段：20世紀初，隨著科學的發(fā)展和各種檢測手段及儀器的出現，人類開始研究材料的化學組成、化學鍵、結構及合成方法，并以凝聚態(tài)物理、晶體物理、固體物理為基礎研究材料組成、結構和性能之間的關系，并出現了材料科學。這一時期，人類利用一系列物理、化學原理、現象來創(chuàng)造新材料，這一時期出現的合成高分子材料與已有的金屬材料、陶瓷材料（無機非金屬材料）構成了現代材料的三大支柱。除此之外，人類還合成了一系

4、列的合金材料和無機非金屬材料，如超導材料、光纖材料、半導體材料等。4）材料的復合化階段：這一階段以20世紀50年代金屬陶瓷的出現為開端，人類開始使用新的物理、化學技術，根據需要制備出性能獨特的材料。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，它們都是為了適應高科技的發(fā)展和提高人類文明進步而產生的。5）材料的智能化階段：自然界的材料都具有自適應、自診斷、自修復的功能。如所有的動物和植物都能在沒有受到毀滅性打擊的情況下

5、進行自診斷和修復。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。材料科學的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：超純化（從天然材料到復合材料）、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成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細胞組成的薄膜內而形

6、成的無散射、無吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內生長著不同功能的材料和部件，材料科學的發(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)學領域中使用，前者如人工瓣膜、人工關節(jié)等，后者則有模擬生物蒙古合劑、模擬酶、模擬生物膜等。下面從幾個角度介紹生物材料智能化的發(fā)展及現狀。1）智能生物材料及組織工程：從材料科學與工程觀點，可以將組織視同細胞復合材料。它由具有功能作用的細胞及其合成的細胞外基質（EC

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

8、殘的自我修復功能的根源，這種功能已成為對工業(yè)材料的一個研制目標，就是使疲勞或龜裂的材料休一段時間（不使用）后能恢復原來的狀態(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。平時不愛動的人，偶爾運動，腿就會痛。熬夜眼睛就會充血，胃不好舌頭就起白苔，這些都是對異常的警告信號。因此最好讓材料具備一種功能，當它在反復應力作用下疲勞，或長時間加負載產生蠕變而接近斷裂時，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（不能影響其強度），例如光色器在受反復應力時特性發(fā)生變化的半導體能起這種作用，材料本身可變色，或能用非接觸檢測器從外部檢測就可以了。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、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學等功能，能產生特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于高科技領域的高新技術材料，新材料領域的核心，是

10、國民經濟、社會發(fā)展及國防建設的基礎和先導。功能材料不僅對高新技術的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，還對相關傳統(tǒng)產業(yè)的改造和升級，實現跨越式發(fā)展起著重要的促進作用。為將生物體組織所具有的剌激響應功能引人到工業(yè)材料并開發(fā)現智能材料發(fā)達國家正加大投人，組織共同研究實體，開展國際合作。目前在國際上比較有代表性的研究有如下幾種：1）實驗室中生長的角膜：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眼內器官，角膜受傷或疾患會使它變渾濁，損及