《仿生智能材料》PPT课件

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1、仿生智能材料一、基本概念1、仿生材料1）定义：模拟生物结构或生物功能的材料。2）仿生材料学是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。3）材料的仿生包括：模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生；模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生；模仿生物体系统功能的功能仿生。2、智能材料智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激后，能够采取一定的措施进行适度响应的材料。智能材料的构想来源于仿生，它的目标是研制出一种材料，使它成为具有类似于生物体所具有的各种功能的“活”的材料。智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素智能材料的特点：1）具有感知功能，

2、能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、环境等；2）具有驱动功能，能够响应外界变化；3）能够按照设定的方式选择和控制响应；4）反应比较灵敏、及时和恰当；5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。智能材料的构成（它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统）智能材料敏感材料驱动材料基本材料信息处理器首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀；其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主在一定条件下，可产生较大的应变和应力，但负响应和控制的任务担负传感的任务，主要作用是感知环境的变化（温度、湿度、压力、pH值等）3、仿生智能材料的

3、设计思想生物智能化的设计理念多尺度结构效应的协调智能响应性分子的设计与合成异质界面设计弱相互作用双稳态协调效应仿生智能材料的设计思想可分解为如下五个层次：4、仿生材料的制备方法仿生合成(biomimeticsynthesis)一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成,即受自然界生物特殊结构和功能的启示,模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天然生物合成的方法获得所需材料。目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为：结构仿生：通过制备与生物结构或形态相似的材料代替天然材料，如光子晶体材料、仿生空心结构材料、

4、仿生物骨骼等。功能仿生：直接模仿生物的独特功能获取所需材料，如仿荷叶超疏水材料、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿贝壳高强材料等。生物体颜色化学色物理色一般指通过生物体内所含有的色素对光的吸收所引起的颜色指光在生物体的亚微米结构中的反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色，也称结构色。静态色动态色指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色指那些可随周围环境及条件变化的颜色显色原理可变化性二、自然界中的结构颜色1、色彩斑斓的蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀的多重结构产生二元色蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。仿蝴蝶结构蝴蝶漂亮的双翅处理光线的原理竟与数码显示器

5、的原理相类似，这为研究和设计新型光发射器具有重要的意义。2、孔雀羽毛的绚丽色彩与薄膜干涉不同，孔雀羽毛的颜色策略非常精妙，小羽枝表皮下面的周期结构是羽毛结构颜色的起因（下图）它阐明了自然界调控色彩产生的巧妙机制，启发人类在控制色彩方面的新思路，如增加视觉或产生视觉干扰，甚至可能在未来的显示技术方面探索一条新路子。孔雀小羽枝的微观结构3、色泽鲜艳的蛋白石蛋白石是由亚微米二氧化硅粒子以立方密堆积结构沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙的位置不同，反射光的颜色也跟着变化，因而出现美丽的颜色。模拟蛋白石的微

6、观结构，可以人工合成类似蛋白石的结构，称为合成蛋白石。以SiO2、PS等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，等矿化后，通过煅烧、化学腐蚀等方法除去初始的SiO2或聚合物膜板，得到规则排列的空气孔，还可得到反蛋白石。蛋白石及反蛋白石实际上就是所说的光子晶体。光子晶体在生物、电子、环境、材料等多个领域都有着十分广泛的应用前景。SiO2反蛋白石的SEM照片三、自然界中具特殊表面性能的生物体1、植物叶表面的自清洁性1）荷叶效应在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超

7、疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。从(a)可看到，荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um。单个乳突又是由平均直径约为124.3±3.2nm的纳米结构分支组成(b)。在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿(c)。荷叶表面的ESEM照片2）表面各向异性水稻叶表面具有类似于荷叶表面微/纳米结合的阶层结构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同，其中沿平行方向为3-5°，垂直方向为9-15°。研究表明，水滴在水稻叶表面的滚动各向异性，是由于表面

8、微米结构乳