功能材料资料

生物材料定义：生物材料，即生物医学材料，指以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命材料。另有定义：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。分类：按应用性质分类：抗凝血材料、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料、生物粘合材料、缓释材料、假体材料。按属性分类：天然生物材料：再生纤维、胶原、透明质酸合成高分子生物材料：硅橡胶、聚氨酯、尼龙、涤纶金属材料：不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金无机生物医学材料：碳素材料、生物活性陶瓷、杂化生物医学材料：天然材料与合成材料的杂化复合生物医学材料：用碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷医用金属材料（1）定义：医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。是一类生物惰性材料，除具有良好的生物力学性能及相关的物理性质之外，还必须具有良好的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。（2）常用医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金、贵金属、纯金属钽、铌、铬。4.医用高分子材料（1）天然高分子生物材料天然蛋白质材料：胶原蛋白、纤维蛋白天然多糖类材料：纤维素、甲壳素、壳聚糖纤维素：葡萄糖经糖苷键连接而成的甲壳素：属于氨基多糖，是仅有的具明显碱性的天然多糖壳聚糖：甲壳素除去部分乙酰基后的产物（甲壳素的衍生物）（2）合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨酯（PU）、环氧树脂、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）5.其他生物医学材料无极生物医学材料：生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料杂化生物材料6.生物材料的发展趋势：复合型、杂化型、功能型、智能型7.纳米医学材料生物材料的性能 生物功能性、生物相容性1.生物相容性（1）定义：指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为（2）分类：血液相容性、组织相容性、力学相容性（3）生物体对生物材料的响应：宿主反应生物学反应：血液反应、免疫反应、组织反应（4）生物体对生物反应的变化：急性全身反应、慢性全身反应、急性局部反应急性局部反应（5）材料在生物体内的响应：材料反应材料反应导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能，分为3方面：金属腐蚀、聚合物降解、磨损。2.生物材料的一般性能要求生物相容性；力学性能（韧性、塑性、强度、硬度）；耐生物老化性能；成形加工性能；3.生物医用材料性能评价测试标准：ASTM（theAmericanSocietyforTestingandMaterials）人工骨材料1.概述：人体骨骼主要有胶原质和羟基磷灰石（HA）组成。可以分为金属、陶瓷、合成高分子、天然高分子等。骨的力学性能因部位、年龄、个体差异等会有差别。应用要求：能与自然骨形成生物骨键合，诱导新骨生成。θ2.陶瓷材料的制备过程：粉体制备——成型——高温烧结（1）AI2O3粉体的固相合成碳酸铝铵——无定形AI2O3——θ-AI2O3——α-AI2O3——高活性（＞400℃—＞800℃＞—1050℃）（2）ZrO2粉体的液相合成法——溶胶凝胶法分子态—聚合体—溶胶—凝胶—晶态（非晶态）Zr(n-OC3H7)4+2H2O——ZrO2+4C3H7OH（3）羟基磷灰石——Ca10(PO4)6(OH)2——HAP羟基磷灰石的合成：；干法合成（重点是控制温度）；湿法合成（化学沉淀法、水解反应、水热反应）（水热法：CaCO3+CaHPO4^2H2O）表征方法：XRD、TEM提高HAP陶瓷力学性能的途径：加入烧结助剂促进烧结，预烧增韧，使用高强的第二相进行增韧，晶须增韧HAP基复相陶瓷，稀土增韧。催化新材料1.固体酸催化剂（1）固体酸：能够给出质子或能够接受孤电子对的固体固体酸催化剂表面上的酸中心：Bronsted酸中心：氧化物表面金属-氧键部分水解成酸性端羟基Lewis酸中心：能够接受孤对电子的具有定于低能空轨道的物种，如AICI3、BF3、FeCI3（2）研究固体酸酸性的方法指示剂法、碱性气体吸附法、IR、XPS（3）附载型酸催化剂制备方法：浸渍蒸发法、沉淀法/共沉淀法、吸附法、机械混合法、离子交换法、溶胶凝胶法、甲基硅烷基化法、载体氧化衍生法分类：杂多酸、固体超强酸催化剂（含卤素超强酸和SO42-/MxOy）附载型酸催化剂，Friedel-Crafts烷基化反应PhH+CH3(CH2)5CH=CH2→Ph(CH2)7CH3（4）固体酸催化剂的应用：催化酸酯化发应、烷基化反应、芳烃硝基化反应2.纳米催化剂纳米微粒由于尺寸小、比表面积大、表面键态及电子态与内部不同、表面原子配位不全等导致表面活性增大，使它具备了催化剂的基本条件。3.手性催化剂（1）对映的概念：互为手性的分子为对应体，具有相同的物理化学性质，其特征是两种对三维自旋转换配位聚合物：3D-SCO具有特定的孔道或空腔结构，通过变换空腔内的客体分子，进而改变自旋转换中心的微环境，从而调控其自旋转换行为；四、二阶非线性光学效应配位聚合物1.非线性光学材料：激光的发现给光学带来的巨大的变化。当高能量密度的激光在特定性质的介质中传播时，强光的电磁场与介质中的电子云发生相互作用。强光巨大的电场强度首先使介质中的电子云分布发生变化（极化），这种极化作用足够强时，极化介质产生的反作用又将改变入射光的电磁场，使出射光的相位、频率、振幅等传输特性发生改变，物质的这种特性称为非线性光学（nonlinearoptics，NLO）特性。2.二阶非线性光学材料需满足的三个条件：其宏观晶体属非中心对称的点群（手性空间群）；体系中存在潜在的电荷不对称因素，如D-π-A体系、MLCT体系；在激光工作波长范围的吸收尽可能小。为使宏观物质具有二阶非线性光学特性，除了分子本身具有较大的二阶非线性光学系数β外，还需要将具有较大β系数的分子定向组装成非中心对称的晶体，即晶体所属点阵为非中心对称点阵。非中心对称、可极化的含有π共轭结构的分子（二苯乙烯、共轭双烯、苯、芳香羧酸）一般具有较大的二阶非线性光学系数β3.二阶非线性光学材料（二阶NLO配位聚合物）包括：无机二阶非线性光学材料；有机/金属有机二阶非线性光学材料；二阶非线性光学配合物/配位聚合物（3D金刚烷型网络结构、2D网络结构、1D配位聚合物）4.二阶非线性光学材料的表征：二次谐波效应（SHG）五、金属-有机骨架结构配位聚合物发光材料发光是物质分子在一定条件下吸收能量，电子由基态被激发到激发态，随后电子由激发态返回到基态或较低能量状态时以辐射方式释放能量的光发射过程。1.发光材料的分类（1）按发光材料组成有机发光材料，这种材料的组成分子是具有特定结构的共轭体系；无机发光材料，主要是镧系元素、类汞离子、部分过渡金属组成的无机盐以及半导体量子点；配合物或配位聚合物发光材料，发光来源于配体本身、金属离子本身或配体-金属电子关联过程。（2）按辐射跃迁选律不同，光发射过程可以分为荧光（自旋允许跃迁，单重态的寿命一般为ns数量级），磷光（自旋禁阻跃迁，三重态的寿命较长，甚至可达数十秒）（3）荧光材料、磷光材料、闪烁材料2.MOFs配位聚合物的发光机理六种发光类型（1）连接体：具有特定共轭结构的有机配体，在紫外或可见光的激发下直接发射光子；（2）骨架金属离子：多数顺磁过渡金属离子由于配体场中的d-d跃迁而导致对连接体有淬灭作用，但部分稀土离子（Sm3+、Eu3+、Dy3+、Tb3+）的f-f*跃迁会产生较弱的发光（电偶极选律禁阻）；（3）电荷转移：配体通过与其配位的金属离子（或簇）进行的电荷转移过程产生光发射，包括金属→配体电荷转移（MLCT）和配体→金属电荷转移（LMCT）；（4）天线效应：配体吸收光子，其激发态将能量传递给金属离子，从而使金属离子的荧光发射大大增强，这一现象称为天线效应；（5）吸附发光团：无发光特性的MOFs，其纳米孔道结构可称为客体荧光小分子的陷阱，这种限域效应有时可极大改善体系的发光特性；（6）激基复合物的形成：相邻共轭结构连接体之间或连接体与客体分子之间的π-π相互作用可产生激基复合物，从而产生无特征的宽带发射。3.发光MOFs配位聚合物的设计与组装（1）金属离子：Zn2+、Cd2+、Cu+、Ag+等抗磁性金属离子及部分稀土金属离子；（2）桥联配体：具有共轭结构的阴离子有机配体，如芳基羧酸根阴离子；具有共轭结构的中性配体，如联吡啶、菲啰啉及具有共轭结构的其他多氮杂环化合物等。4.发光MOFs配位聚合物的应用生物检测、分子识别、离子检测、pH检测、（爆炸物检测、O2分子传感器、pH传感器）六、铁电配位聚合物1.基本概念：材料的晶体结构在不加外电场时就具有自发极化的现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材料的这种特性被称为铁电效应。金属-有机配合物铁电材料（MOCs）代表了一类基于分子水平的铁电体。2.铁电相变的结晶学条件：铁电相的晶体结构必须属于以下十种极性点群中的一种，C1、Cs、C2、C2v、C3、C3v、C4、C4v、C6、C6v。3.基本特征：从晶体学角度考虑，其宏观晶体属于为非中心对称空间群；从晶体中电荷分布特性考虑，晶体中电荷正负中心不重合，形成电偶极矩，永久偶极可有序化排列。4.微观机制的影响因素：短程的相邻离子间电子云的排斥力有利于顺电相的形成，长程的库仑力有利于铁电体的形成；长程力和短程力的相互作用影响晶体的结构，从而导致铁电相变；短程作用下电荷分布高度不对称产生的影响有利于铁电相的形成。七、催化功能配位聚合物1.概述（1）催化剂：指在化学反应中能加快反应速率，而其本身在化学反应前后不发生变化的一类物质，其作用机理是降低化学反应的活化能。（2）非均相催化剂应用于传统有机合成反应的催化，表现出良好的反应活性和反应选择性，其催化活性来源:①金属中心离子来源（bronsted，Lewis酸碱中心或者氧化还原活性中心）;②桥联配体的特定构形;③配位聚合物的特定多孔结构微环境，使底物在配位聚合物的孔道内运动受到束缚，增加了反应概率；2.应用催化形成C-C键的反应、氧化反应、光化学反应、不对称合成、不饱和烃聚合反应3.手性配位聚合物催化的不对称合成（1）为了得到外消旋体中的一种手性分子，可以通过拆分或直接合成单一手性分子的方法实现，这种直接合成单一手性分子的方法称为不对称合成。（2）手性配位聚合物应用于非均相催化与传统的均相手性催化相比，反应后催化剂与产物易分离，已于重复利用、催化剂流失少。（3）合成手性配位聚合物的四种方法：利用单一手性配体与金属离子组装手性配位聚合物利用单一辅助配体、刚性桥联配体与金属离子组装手性配位聚合物后合成修饰组装单一手性配位聚合物利用非手性配体（低对称性或弯曲有机配体）与金属离子组装手性配位聚合物八、配位聚合物储氢材料1.储氢概述（1）氢气的获得：电解水制氢、微生物在代谢过程中产氢、太阳能光解水产氢（2）氢气的存储：高压/液化储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢2.配位聚合物储氢机理基于从头计算或密度泛函理论的计算方法；基于巨正则蒙特卡洛的计算方法；基于分子动力学的计算方法。3.储氢配位聚合物的设计（1）影响配位聚合物储氢性能的因素：孔径尺寸与孔隙率、金属离子种类及其配位特征、桥联配体结构、孔道中的客体分子等；（2）控制MOFs适当的孔径尺寸及高的孔隙率；客