生物与微/纳米实验力学研究进展

生物及微/纳米力学是应用力学原理和方法对生物体或微纳米材料力学问题进行研究的新型分支，其研究范围从零维纳米超微粉末到三维纳米结构，从生物器官到整体系统，从仿生动物的鸟飞、鱼游、蚊子昆虫纤毛运动到植物体内的微流输运，以及从微机电器件到大型工业装备的微/纳米表面工程等等。目前，仿生材料、微/纳米复合材料、微器械、各种微/纳米生物芯片材料以及药物传递系统等方面已取得很大进展。本期主要针对上述研究方向，简要介绍生物微/纳米力学实验室在仿生及微/纳米复合材料力学领域的研究进展。

1. 微/纳米生物仿生材料力学

微/纳米生物仿生材料力学的研究集中在力学形变、微结构与功能方面。阐明生物微纳米材料的微结构、力学形变与运动规律有助于生物仿生材料的设计优化。例如，蚊子同其他两翼昆虫一样，其粘附系统由生物微/纳米材料组成。该系统的粘附特性与材料的微尺度结构及性质有关。由于由很多微/纳米鳞片结构组成，导致粘附力以及水上浮力成倍增加。所以，蚊子能够在水面上粘附住，并且能够在水面上安全起飞和停落。蚊子等生物材料的这种特性，可以用于通过不同排列方式向基体材料中植入微尺度纤维而得以优化其力学性能并修饰其结构。

蚊子腿鳞片状微/纳米结构

2. 微纳米复合材料实验力学

微纳米力学研究首先要了解微纳米材料的微结构特点，进而测定结构或材料的力学性质，并为计算力学确定本构方程、确定边界条件及求解打下基础，且能为理论计算提供实验验证。实验室近期在微纳米复合材料(包括轻质聚合物基与金属基纳米复合材料及微/纳米涂层)制备工艺力学、实验测试表征、微/纳米涂层力学(摩擦、开裂、界面)等方面取得了一定的进展，有关上述材料的纳米力学测量正在进行中。此外，轻质镁合金微纳米焊接研究获得了中国有色金属工业科学技术二等奖(2008098)。

(a)非晶/微纳米涂层                  (b) 镁纳米复合材料

微/纳米复合材料

3. 微/纳米尺度疲劳断裂与失效分析

对微/纳米尺度的材料、结构或传统结构材料进行微/纳米尺度疲劳断裂与失效分析对于了解微结构器件的力学行为以及建立材料微观结构和宏观力学性质之间的关系是极为重要的。实验室在前期大型工程构件疲劳可靠性研究基础上，拟在从实验力学、失效力学及计算分析的微纳观角度研究疲劳失效。如纳米复合材料动态断裂实验分析，极端环境下(如电场加载下)的材料与结构的应力、变形、稳定性和疲劳等研究，有关这方面的研究正在酝酿之中。

目前，生物微/纳米力学实验室国家及省部级项目的研究，有助于生物微/纳米力学多学科知识的积累和进一步深入研究。如今，生物微/纳米力学已展示出激动人心的前景。该领域的最终目标是在微纳米水平制造功能性生物材料，并探索理解该交叉领域涉及的力学、生命科学及材料科学的根本原理。这些原理可用于设计与制造各种微纳米器械及仿生装置，最终推动力学、生物医学及纳米科技的创新，并在不远的将来改变我们的生活。

生物与微/纳米力学实验室

2009年5月31日