建材仿生學研究綜述

蔣冬青

(湖南建材高等專科學校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、學習、模仿來復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和改造能力，產生巨大的社會經濟效益。這樣一門綜合性的學科——仿生學便應運而生了。現代仿生學已延伸到很多領域，建材仿生是其應用領域之一。建材仿生就是研究和仿照生物軀體的組織結構、化學成分、色彩及生態功能，設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。它是當前國內外建材研究中引人關注的領域之一。

1、結構仿生建材

    結構仿生建材是通過研究生物肌體的構造，建造類似生物體或其中一部分的建筑材料，通過結構相似實現功能相近。

    在建材的結構上，人們利用仿生學的原理，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。輕質高強，是建筑材料的發展方向。人們從蜂巢上獲得了啟示，為了減輕鋼筋砼的自重，

    創造發明了蜂窩泡沫砼，如加氣砼，還有泡沫塑料、泡沫橡膠、泡沫玻璃等等。實踐證明，這些內有氣泡的蜂窩狀材料，既隔熱又保溫，結構輕巧又美觀。目前，它們已在國內外獲得了廣泛的應用。

    由于內含纖維素，使木材具有許多優良性能，如輕質高強、彈性韌性好、能抵抗沖擊和振動。人們由此受到啟發，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，其核心由有機纖維玻璃薄墊物構成，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。而印度現正采用稻谷殼制取輕質高強的纖維板。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狀，其形狀模仿蜘蛛織成的網，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系的研究為材料合成技術提供了許多新的思想。研究發現，盡管是同一種材料，但其組織形態差異很大，有的可提供極高的力學性能。例如，科學家對昆土蘭果殼的研究發現，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％占據了殼的空間，在整體上形成各向同性體。這種結構的結果是不存在任何薄弱的環節使裂紋得以傳播。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到最佳的強度，或者盡可能使纖維狀礦物在材料中無擇優取向性生長。前者的原理可應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?國外有的科學家設想，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狀結構，然后放到海里，讓軟體動物填滿網格，等到動物死去，大量動物尸體硬化，由珊瑚和貝殼等復合材料構成的房屋結構也就完成了。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、造價低等優點。

2、色彩和質感仿生建材

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

    在我國有些建筑物內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，這種活潑清新的色調，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。英國已經研制成功一種具有多種用途的彈性水泥，具有較強的抗沖擊和折斷的能力。

3、化學成分仿生建材

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

    在化學成分上，人們發現，生物汲取自然界的物質元素構成它們的自身，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雜，并且很多材料還要經過高溫燒結。許多生物僅用了一百零幾種元素中的十幾種，就組成了儀態萬千、性能優異的材料。例如，貝殼的抗張強度高達l00兆帕，遠大于水泥。其實，它的成分很簡單，95％是石灰石(碳酸鈣)，5％是蛋白質，兩者粘結成堅不可摧的整體，而且并不需要高溫燒結。這就給人們很大的啟示，促使人們尋找化學組成簡單、工藝簡化并節省能量、減少環境污染的新型建材。如美國國家實驗室已研制出一種高強度聚合物水泥，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，可快速修補公路、橋梁和機場跑道。

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。

    解剖學研究表明，動物或人的皮是具有多功能結構的典型智能生物材料之一，具有可彎曲變形、調節溫度、防水、阻止化學物質和細菌進入及自修復等功能的復雜層狀組織。人們從這里受到了啟發，在一些高層建筑上，應用恰當的裝飾材料，將風、光等對建筑產生負面影響的能量，轉化為高層建筑環境所需能量的一部分，化害為利，變廢為寶，創造更富有活力的生存與行為環境，并滿足節能的要求。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境能做出反應的特點，在建筑界面外裝置一層遮陽百葉作雙層皮，通風管道置于雙層皮中。夏天可阻擋陽光，減少冷氣負荷，冬天雙層皮又可用作日光采集器，加熱空氣預熱空調。這樣既達到了裝飾的目的，又達到了節能的目的。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，外面的水卻透不進去。這一巧妙功能，促使人們正在探索皮膚微觀結構的奧秘，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”，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生產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。多數材料在接近極限荷載時發生突然破壞，使得人們無法進行破壞前的預防。而生物體的功能之一就是能向外界傳達自身的異常狀態。例如人體，當睡眠不足的時候，眼睛會充血；體內被病菌感染時，體溫會上升發燒等等，這些都是對自身的異常狀態向外傳遞信號。具有自我診斷、預告破壞功能的材料就是在這種思想的啟發下進行研究的。

    功能仿生材料更加高級的功能有自我調節和自我修復功能。即材料能夠根據外部荷載的大小、形狀需求等，對自身的承載能力、變形性能等進行自我調整，符合外部作用的需要，這種性能就是自我調節功能。自我修復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行自我修復、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、電子技術以及自動控制手段的不斷進步，必將不斷取得新的進展，未來的建筑及所用的材料將走向智能化。

    綜上所述，仿生學帶給建材研究和開發的啟示是巨大的，并且已經取得了很大的成就。仿生建材的出現，能美化人們的居住環境，改善人們的生活條件，構筑舒適迷人的生存空間。材料科學與生命科學的結合，將成為二十一世紀最有活力的學科之一，作為其分支——仿生建材的發展正方興未艾，有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[2]董發勤，彭同江.《天然微集料的功能與集成》.混凝土(J)，2003，(2)

[3]楊靜.《建筑材料與人居環境(M)》.北京：清華大學出版社，2001(9)．

[4]蔣冬青.《談建材仿生》.中國建材(J)，1997，(10)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)