物质转变:走向生命友好的化学

维可牢钩模仿牛蒡植物上的毛刺. 图片来自Natural Philo via 维基共享.

仿生学是一种古老的方法，有了一个闪亮的新名字:它是一门科学, 运用在自然界中发现的策略来解决人类设计挑战的实践和哲学. 今天有许多成功的仿生学例子，包括: Velcro，其可重复使用的紧固件钩模仿牛蒡植物的毛刺; Interface 地毯瓷砖的灵感来自于各种森林生态系统元素，以及 把它 通过模仿座头鲸鳍的非传统形状来提高风力涡轮机的效率.

这只是人们从自然中学习的开始. 你能想象吗:从当地丰富的资源中自动组装出高质量的产品, 然后分解成无毒的可重复使用的组件? 这就是生物体和生态系统所做的, 但它们是如何做到这一点的，我们还没有发现.

包装就是一个例子，它清楚地展示了人造材料和天然材料之间的差异. 包装通常由均匀的材料层组成:一种材料提供形状或强度，另一种材料用于保温或防水.

生命友好化学

点击这里查看大图. 从图片 生物材料的功能梯度和异质性:设计原则, functions, 以及生物启发应用. Liu, Z.迈耶斯，M. A.张，Z., & 里奇,R. O. (2017). 

仿生学的实践者喜欢把自然界中的化学称为“对生命友好”，因为自然过程往往会增强而不是伤害生命系统. 自然界中的许多物质 是由渐变而不是突变组成的吗. 这些材料通过对密度进行微小的增量变化来缓慢过渡, 纤维取向, 或者其他属性. 核桃仁核桃坚硬的外壳, 例如, 是由长, 紧密交织的纤维形成了极其坚韧的保护层. 当你向坚果的中心移动时, 这些长纤维的密度会逐渐降低，并容纳更大的气穴，从而隔绝冷热. 诸如此类的转换在自然界中很普遍，并创建了提供多功能的复杂微观结构.

自然界中有几种材料具有人造材料所不具备的理想特性, 尽管他们倾向于使用更安全、更丰富的元素，比如氢, carbon, 氮和氧. 大自然是能够形成动态的 多功能材料 通过以特定的方式组装元素, resulting, 例如, 在一种结合了强度(材料破裂或变形前所需的最大应力)和韧性(断裂有裂缝的材料所需的能量)的材料中，形成了一种强大的保护性材料, 这是很少有人造材料可以匹敌的壮举.

这只是我们可以从自然界学习的一个例子. 如果我们能解码并模拟其他过程，比如自组装和水基化学的使用, 其影响将更加惊人.

大自然的奥秘

如果我们能学会复制大自然母亲非凡的技术, 毫无疑问，我们将受益于它们提供的新的机械和物理特性. 3D打印和其他增材制造技术已经打开了新的大门 这些方法使我们能够以极小的速度组装和组织材料结构 这些方法为新的制造范式提供了见解.

但是，我们能从自然界对生命友好的化学物质中学到什么呢?我们又能如何利用这些知识来改进我们的材料和制造工艺呢? 我想对我来说，这可以归结为层次:微小的模式按比例放大，创造出大规模的属性. 对科学家来说, 其中的联系更加清晰, 但大自然也可以为非科学家提供隐喻性的教训. 这些经验能为如何建设生活友好型城市和社会提供方向吗? 他们能告诉我们如何发展环境，培育后代和改善自然世界吗? 答案也许就在我们周围的世界里.

特别感谢马克·多夫曼和蒂姆·沃德, 生命友好化学研讨会的讲师, 2019年3月. 点击这里 了解更多有关活动的信息.

要了解更多关于天然材料特性的技术论文，请查看: Liu, Z.迈耶斯，M. A.张，Z., & 里奇,R. O. (2017). 生物材料的功能梯度和异质性:设计原则, functions, 以及生物启发应用.

基拉·亨特是AG平台的景观建筑技术专家.  她曾与埃德蒙顿的一些志愿者团体合作, 包括生物仿生 Alberta和Prairie Urban Farm以及埃德蒙顿公共艺术委员会.