仿生智能材料2011-2

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1、第2章仿生材料2.1.1植物叶表面的自清洁性2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性2.1.3在水面行走的昆虫—水黾2.1.4在墙壁上行走的动物—壁虎2.1.5自然界中的结构颜色2.1.6具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料2.1.1植物叶表面的自清洁性1、粗糙结构—荷叶效应2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料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124.3nm的纳米结构分支组成，乳突之间的表面

2、同样存在纳米结构。微米-纳米的分级复合结构2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料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，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，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。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料单一微米或纳米结构示意图（上）微米-纳米的分级复合结构示意图（下）由于微、纳米结构并存，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，水珠只与荷叶表面乳

3、突的部分蜡质晶体绒毛相接触。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料2、表面各向异性水稻叶表面存在类似于荷叶表面微/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°。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料类水稻叶表面碳纳米管薄膜2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周

4、期性片层堆积而成。2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料RO不滚动蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂直RO的两个方向，水滴不易滚离。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料2.1.3在水面行走的昆虫—水黾水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，它的一条腿能在水面上支撑起15倍于身体的重量，它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离。水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应2.1自然界的几种生物

5、体的表面性能及其仿生纳米界面材料2.1.3在水面行走的昆虫—水黾水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片水黾的腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（直径3um），刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并

6、将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。模仿水黾----新型超级浮力材料2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料模仿水黾“水上漂”功夫的机器人2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料2.1.4在墙壁上行走的动物—壁虎壁虎的每只脚底长着

7、大约50万根极细的刚毛（长100um)，刚毛末端又有约400—1000根更细小的分支。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料微米级阵列刚毛单根刚毛单根刚毛末端的放大壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积（范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生的一种微弱的电磁引力）。壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在绒毛表面，而不是

8、粘在绒毛上，因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料仿生应用----仿生壁虎脚利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面