仿生纳米智能材料

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'仿生纳米智能材料'
仿生纳米智能材料 讲人:周加滔 2010年12月15日Biomimic & Bioinspirew 仿生技术与给米技术紧密结合,植物和动物 在几百万年的自然进化当中不仅适应自然, 而且其程度接近完美,模仿它们在自然中的 结构及功能,是在生物学和技术之间架起了 一座桥梁,并对解决技术难题提供了帮助。 1.1.1 生物启发理念 自然界中的生命忆通过近四十多亿年的进化完成了智 能操纵的所有过程,向自然学习必将是智能新材料发展永 恒的主题。 1.1.2 生命与智能相关的科学问题 生命中与智能相关的科学问题无处不在,参与的生物器 官也遍及全身。在生物体中,对外界刺激的响应及各种生 主讲:周加滔 2010年12月15日命过的实现都是基于生物大分子内或分子间相互作用的改变Eg.参与物质的担载、输运功能的红细胞、血管、肺泡;参与量转换、传递、储存的心肌及肌肉;某些生物体本身的特殊能如水上行走、水下呼吸、淡水采集、光合作用也是智能化结果。 昆虫的复眼由许多六角形的小眼组成(如图所示) 主讲:周加滔 2010年12月15日小眼的构造很精巧,它有一个如凸透镜一样的集光装置,叫角膜,就是小眼表面的六角形凸镜,下面连着圆锥形的晶体,在这些集光器下面连接着视觉神经。利用扫描电子显微镜(SEM)可以观察到,视觉神经纤维是由紧密排列的柱状的微绒毛构成,这些微绒毛的长度约1~2微米,直径约60纳米。感觉到光的刺激后,光点传入到神经感受集光器,而后造成“点的影像”,许多小眼的点的影像相互作用就组成“影像”。1.1.3 自然界中宏观与微观性能的统一 生物体中特殊的微米结构,纳米结构可赋予其特殊的表面性能,Eg.鲨鱼之所以能在水中快速前进,秘密就在于它的皮肤表面排列微小鳞状突起,这些突起在水中具有整流的效果,可以减小水的阻力,使鲨鱼成为海洋中游泳的佼佼者。仿照鲨鱼皮的结构,可以在飞机上涂层,结果显示,使用此涂层可以使飞机的阻力减小8%以上,节约燃料约1.5%。另外,给舰船穿上“鲨鱼皮”能够克附着在服船体上的海洋生物而造成的阻力,提高船的行驶速度,从而大大节省能流消耗。 主讲:周加滔 2010年12月15日1.1.4多重弱键相互作用——非平衡态下体系的协同效应 双稳态体系的构筑真正体现了材料智能化的特点,当受到外界刺激时,材料能够感知和识别,当外部刺激消除后,材料又能迅速恢复到原始的状态。只有通过多级弱相互作用才能实现性能在两个(或多个)稳定状态下的可逆变换。在此,弱相互作用是至关重要的。在生物体中,正是这种弱相互作用,才使得生命如此丰富多彩。这种弱相互作用是指弱的和较小的非共价键,如氢键、范德华力、 主讲:周加滔 2010年12月15日弱的离子键协同作用、分子异构化、毛细管作用等在短程和长程范围内相互结合的协同作用。Eg.血红蛋白的载氧和放氧就是协同作用产生结构异构化的双稳态可逆过程。当氧结合在一个亚单位血红素中心的铁上时,会把血红蛋白底部的组氨酸往上拉,使整个a螺旋的位置发生移动,这种移动传递到其它的蛋白链上,最后引起其它亚单位的滚 主讲:周加滔 2010年12月15日 动,导致血红蛋白的结构发生改变。形成氧合血红蛋白。当 氧气释放后,血红蛋白又恢复到原来的结构。其后,血红蛋 白利用某些氨基酸结合二氧化碳,并携带回肺部呼出。此过 程周而复始,血红蛋白便起到了传递氧的作用。 Chapt2w 自然界中具有特殊表面性能的生物体 主讲:周加滔 2010年12月15日2.1 植物叶表面的自清洁性——Lotus effect 荷叶在中国自古就有”出淤泥而不染”的美誉,经研究表 明荷叶表面自清洁表现为:(1).表面具有超疏水性,与水的 接触角(contact angle)大于150º;(2).很强的抗污染能力, 表面的污染物好灰尘等可被滚落的水滴带走而不留下任 何痕迹。如图是荷叶表面的电子显微镜照片。 主讲:周加滔 2010年12月15日 荷叶表面由许多乳突 构成,乳突的平均直径 为5~9微米,而每个乳突 又由平均直径为124的纳 米结构分支组成。正是 这些微米-纳米复合结构, 对荷叶的自清洁起到重 要作用。人们也由Lotus effect而引发了衣服的自 清洁性的美好幻想。2. 2 飞檐走壁的动物——壁虎 2000年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家Full小组在“Nature”杂志上发表了壁虎之所以能在光滑的墙壁上行走自如,是因为壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积而成的。 主讲:周加滔 2010年12月15日 刚毛末端的 微阵列结构主讲:周加滔 2010年12月15日研究表明壁虎的每只脚底部长着约50万根刚毛,每根刚毛长约100微米(相当于人的两根头发并三起的宽度)。刚毛末端又有400~1000根更细小的分支。据计算,如果壁虎同时用四只脚全部的刚毛,就能支持1225N的力了。这是多么惊人的数字!(试想一下你的重量是多少?) 模仿壁虎,人们造出了聚酰亚胺绒毛,它的潜在用途很广,包括外科手术用的夹子和缝线、登山者使用的安全装置、甚至还有足球守门员使用的黏性超强的手套。 主讲:周加滔 2010年12月15日主讲:周加滔 2010年12月15日仿生纳米智能材料 讲人:周加滔 2010年12月15日Biomimic & Bioinspirew 仿生技术与给米技术紧密结合,植物和动物 在几百万年的自然进化当中不仅适应自然, 而且其程度接近完美,模仿它们在自然中的 结构及功能,是在生物学和技术之间架起了 一座桥梁,并对解决技术难题提供了帮助。 1.1.1 生物启发理念 自然界中的生命忆通过近四十多亿年的进化完成了智 能操纵的所有过程,向自然学习必将是智能新材料发展永 恒的主题。 1.1.2 生命与智能相关的科学问题 生命中与智能相关的科学问题无处不在,参与的生物器 官也遍及全身。在生物体中,对外界刺激的响应及各种生 主讲:周加滔 2010年12月15日命过的实现都是基于生物大分子内或分子间相互作用的改变Eg.参与物质的担载、输运功能的红细胞、血管、肺泡;参与量转换、传递、储存的心肌及肌肉;某些生物体本身的特殊能如水上行走、水下呼吸、淡水采集、光合作用也是智能化结果。 昆虫的复眼由许多六角形的小眼组成(如图所示) 主讲:周加滔 2010年12月15日小眼的构造很精巧,它有一个如凸透镜一样的集光装置,叫角膜,就是小眼表面的六角形凸镜,下面连着圆锥形的晶体,在这些集光器下面连接着视觉神经。利用扫描电子显微镜(SEM)可以观察到,视觉神经纤维是由紧密排列的柱状的微绒毛构成,这些微绒毛的长度约1~2微米,直径约60纳米。感觉到光的刺激后,光点传入到神经感受集光器,而后造成“点的影像”,许多小眼的点的影像相互作用就组成“影像”。1.1.3 自然界中宏观与微观性能的统一 生物体中特殊的微米结构,纳米结构可赋予其特殊的表面性能,Eg.鲨鱼之所以能在水中快速前进,秘密就在于它的皮肤表面排列微小鳞状突起,这些突起在水中具有整流的效果,可以减小水的阻力,使鲨鱼成为海洋中游泳的佼佼者。仿照鲨鱼皮的结构,可以在飞机上涂层,结果显示,使用此涂层可以使飞机的阻力减小8%以上,节约燃料约1.5%。另外,给舰船穿上“鲨鱼皮”能够克附着在服船体上的海洋生物而造成的阻力,提高船的行驶速度,从而大大节省能流消耗。 主讲:周加滔 2010年12月15日1.1.4多重弱键相互作用——非平衡态下体系的协同效应 双稳态体系的构筑真正体现了材料智能化的特点,当受到外界刺激时,材料能够感知和识别,当外部刺激消除后,材料又能迅速恢复到原始的状态。只有通过多级弱相互作用才能实现性能在两个(或多个)稳定状态下的可逆变换。在此,弱相互作用是至关重要的。在生物体中,正是这种弱相互作用,才使得生命如此丰富多彩。这种弱相互作用是指弱的和较小的非共价键,如氢键、范德华力、 主讲:周加滔 2010年12月15日弱的离子键协同作用、分子异构化、毛细管作用等在短程和长程范围内相互结合的协同作用。Eg.血红蛋白的载氧和放氧就是协同作用产生结构异构化的双稳态可逆过程。当氧结合在一个亚单位血红素中心的铁上时,会把血红蛋白底部的组氨酸往上拉,使整个a螺旋的位置发生移动,这种移动传递到其它的蛋白链上,最后引起其它亚单位的滚 主讲:周加滔 2010年12月15日 动,导致血红蛋白的结构发生改变。形成氧合血红蛋白。当 氧气释放后,血红蛋白又恢复到原来的结构。其后,血红蛋 白利用某些氨基酸结合二氧化碳,并携带回肺部呼出。此过 程周而复始,血红蛋白便起到了传递氧的作用。 Chapt2w 自然界中具有特殊表面性能的生物体 主讲:周加滔 2010年12月15日2.1 植物叶表面的自清洁性——Lotus effect 荷叶在中国自古就有”出淤泥而不染”的美誉,经研究表 明荷叶表面自清洁表现为:(1).表面具有超疏水性,与水的 接触角(contact angle)大于150º;(2).很强的抗污染能力, 表
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