[文章導(dǎo)讀] （納米力學(xué)）材料在納觀尺度上的性能明顯不同于在宏觀甚或微觀尺度上的性能。

天然生物材料由于長(zhǎng)期與自然環(huán)境之間的物質(zhì)、能量和信息交換而進(jìn)化出適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能。面向生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及仿生學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)的需求，（納米力學(xué)）人們對(duì)天然生物材料進(jìn)行了廣泛的研究，包括其進(jìn)化過(guò)程、組織結(jié)構(gòu)特征、性能或功能與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系、對(duì)外部激勵(lì)的響應(yīng)行為及機(jī)理等。（納米力學(xué)）人們根據(jù)天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)性能或功能的作用機(jī)理，發(fā)展了多種仿生材料，如仿生復(fù)合材料，包括納米復(fù)合材料，使仿生材料成為材料科學(xué)與工程科學(xué)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。（納米力學(xué)）仿生材料研究可大致分為兩個(gè)方面：一是根據(jù)工程現(xiàn)象或技術(shù)問(wèn)題，（納米力學(xué)）對(duì)相關(guān)的天然生物材料進(jìn)行研究，探求其性能或功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立天然生物材料的結(jié)構(gòu)模型；一是在天然生物材料結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的仿生材料設(shè)計(jì)和制造。（納米力學(xué)）天然生物材料結(jié)構(gòu)及其性能或功能相關(guān)性研究是仿生材料研究的基礎(chǔ)。關(guān)于天然生物材料結(jié)構(gòu)和性能研究從宏觀尺度認(rèn)識(shí)向微觀、納觀尺度認(rèn)識(shí)方向發(fā)展，（納米力學(xué)）材料在納觀尺度上的性能明顯不同于在宏觀甚或微觀尺度上的性能。

近年來(lái)仿生學(xué)家對(duì)昆蟲(chóng)的特殊結(jié)構(gòu)和生理機(jī)制產(chǎn)生了濃厚的興趣。從自然進(jìn)化角度而言，昆蟲(chóng)進(jìn)化史遠(yuǎn)早于人類，具有更高的優(yōu)適性能；（納米力學(xué)）從功能學(xué)角度而言，昆蟲(chóng)具有多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)（如飛行、跳躍、爬行等）和優(yōu)異的適應(yīng)環(huán)境的能力，昆蟲(chóng)體壁具有保護(hù)身體的功能，使其具有特殊的材料和結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)其輕質(zhì)高效的功能。（納米力學(xué)）就昆蟲(chóng)數(shù)量來(lái)說(shuō)，昆蟲(chóng)約占所有已知?jiǎng)游锓N類的70%，其中鞘翅目是最大的目，約有33萬(wàn)種以上，意味著鞘翅目昆蟲(chóng)的體壁是重要的自然結(jié)構(gòu)材料；（納米力學(xué)）在仿生相似性上，昆蟲(chóng)系統(tǒng)與微機(jī)械系統(tǒng)在很多方面是相同的，它們的力學(xué)相互作用發(fā)生在相同的尺度和應(yīng)力范圍，而且潤(rùn)濕性、微觀結(jié)構(gòu)或者表面化學(xué)等方面的性質(zhì)都會(huì)強(qiáng)烈影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)明，（納米力學(xué)）使得人們?cè)谖⑴：图{牛尺度下測(cè)量生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得以實(shí)現(xiàn)。

上世紀(jì)90年代初興起的納米科技是在納米尺度上（1nm到100nm）之間上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，（納米力學(xué)）以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。納米測(cè)試技術(shù)是納米材料和材料納米性能研究與發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

當(dāng)把宏觀物體細(xì)分成亞微米或納米尺度顆粒后，顯示出許多奇異的特性，其力、電、熱、光、磁、化學(xué)性質(zhì)與宏觀固體有顯著不同，（納米力學(xué)）這些特殊性質(zhì)主要取決于它的表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等，而這些研究的飛速發(fā)展對(duì)納米測(cè)試技術(shù)提出了迫切的更高要求。

1982年，Binning和Rohrer首先研制成功掃瞄隧道顯微鏡（STM），開(kāi)創(chuàng)了納米尺度形貌觀測(cè)的新時(shí)代。原子力顯微鏡（AFM）和納米硬度計(jì)的出現(xiàn)，（納米力學(xué)）使得材料在納米尺度上的力學(xué)性能測(cè)試成為可能，進(jìn)一步推動(dòng)了納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。已有數(shù)家公司，如美國(guó)的MTS公司、瑞士的FEMTOOLS公司、英國(guó)的Micromaterials公司和澳大利亞ASI公司推出商用化的納米力學(xué)測(cè)試儀器。（納米力學(xué)）實(shí)時(shí)定量感應(yīng)深度變化的納米硬度計(jì)，通過(guò)連續(xù)記錄的載荷——位移加卸載曲線，可獲得材料的彈性模量、硬度、剛度等機(jī)械性能數(shù)值。納米硬度計(jì)的載荷精度已達(dá)到幾十個(gè)納牛頓，（納米力學(xué)）位移精度可達(dá)0.1 nm，可以精確地完成量程為數(shù)十個(gè)納米的壓痕實(shí)驗(yàn)，形成了納米壓痕測(cè)量技術(shù)。

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