第八章+生物表界面.ppt

1,第八章生物表界面,生物世界为了适应复杂的自然环境，表面形成了一套复杂的、多样的、完善的系统.,1）生物运动系统既可以使摩擦最小化，而在另一个极端又可以使摩擦最大化；2）对外界信息具有高灵敏感知性能3）对能量的利用具有高效性,啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性；蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；蝙蝠的回音定位使用促進了雷达开发改进；莲花效应有绝佳的抗污性和疏水性,2,1)生物表面与光学特性A伪装（拟态）B警戒色C对光的调控,2）生物表面与粘附特性A自清洁效应B超级润湿性能C摩擦减阻3）微结构控制传感与传动,4）生物软体材料(softmaterials)的超级功能,生物表面与界面感兴趣的相关内容：,3,1)生物表面与光学特性,A伪装（拟态）；B警戒色；C对光的调控,A伪装Camouflage,B毒蛙警戒色Aposematiccolor,图1,4,图2科学家发现蝴蝶翅膀是天然发光二极管,图3非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的光学显微图象,C对光的调控,Figure1.Morphologyandstructureoftheoriginalbutterflywingscales(PeleidesMorpho).(a)Aphotoofthebutterfly.(b)AlowmagnificationSEMimageofasinglebutterflywingscaleonsiliconsubstrateshowingthestripestructure.(c)Anopticalmicroscopeimageofthebutterflywingscalesfromthebluearea.(d)Thechematicofa“unitcell”onthelamellaethatresponsibleforthescatteredcolorfullight.(e)ASEMimagetakenonthescalesurfaceshowingthestructureofthelamella薄片.TheinsetisahigherresolutionSEMimageshowingtheperiodicnanostructuresonalamella.,6,毛丽金龟数码照片及其鞘翅表面微结构图(A)数码照片；（B）、（C）和(D)不同放大倍数的SEM,丽金龟鞘翅紫外-可见光-红外反射图谱,7,图5荷叶,一阵风来碧浪翻，真珠零落难收拾,珠明浮盘戏，酒漾流杯晔,雨中荷花宋杜衍,玉井亭观荷宋杨万里,图4美洲蜥蜴（cabrite）在水上奔跑,9,Spidersenses,3.生物表面与传感、传动等功能特性.,图一,10,Fig.Airflowstimuliandpreycapturebehavior.Left:Sequenceofvideoframesshowingthespidersreactiontotheairflowproducedbyaflyflyingonaleash(modifiedfromBrittinger1998).Middle:Spectraoftheairflowsignalbehindatetheredflyingflyatincreasingdistancefromthefly(modifiedfromBarthandHller,1999).Aboveright:Characteristicspectrumofairflowmeasuredabovethespidersittingonitsdwellingplantaftersundown,Arthropodmechanosensoryhairsensilla感觉器,11,实拍变色龙用长舌捕捉蟋蟀,5月17日，在澳大利亚墨尔本博物馆，一只变色龙正用舌头捕捉蟋蟀。变色龙为一种“善变”的树栖爬行动物，它能够随着周围环境的变化改变自己的身体颜色以隐藏自己，是自然界中的伪装高手。变色龙用长舌捕食时动作极快，每次只需1/25秒,12,8.1生物的表面摩擦和粘附系统,8.2昆虫的摩擦装置,8.3抗粘附机制,本章主要内容,13,生物表面与基质相互作用过程中，为了适应运动而形成的一套运动系统，其中包括由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷脂等组成的钩、锁或卡、夹、垫、吸盘等粘附结构，该结构表面具有微纳米有序的微结构组成，其通过负压吸入、机械互锁、毛细作用、分子粘附以及静电作用，使其与表面作用达到最大或者最小。,生物表面的粘附系统（掌握）,14,增加摩擦的系统,(1)植物表面复制机制,图8-10藤蔓植物爬墙虎的“吸管”a)连接在表面的粘附装置b)“吸管”,8.1生物的表面摩擦和粘附系统,15,(2)蜥蜴垫的移动粘附,蜥蜴(GeLko壁虎)脚上的刚毛，内生表皮层上新刚毛形成的三个阶段的示意图a)最初阶段b)中间阶段c)最后阶段,次末端区CLO-外表皮产生的透明层OBI-内表皮产生的表皮层TB-主要刚毛终端亚区分,微刚毛是角质化表皮的衍生物，它们长大约90微米，宽约为lO微米,壁虎胶带(GeckoTape),图一,17,8.2昆虫的摩擦装置,鳞翅目昆虫足的末节、头部制动系统、鳞翅类苍蝇的口器腱膜，以及蝴蝶和双翼目蛾的甲膜，往往都有摩擦装置昆虫是表面动物,表皮微观结构的作用空气动力学表面的作用b)清洗身体的作用c)发声作用d)磨碎食物e)过滤装置f)流体动力学表面的作用g)空气调节h)控温i)体色,18,1昆虫附着装置的原理,附着原理的八种基本类型a)钩b)锁或卡c)夹d)垫e)吸盘f)膨胀锚g)粘性分泌物h)摩擦,19,2.蜻蜓头部制动系统,蜻蜓的头制动系统a)头-颈关节示意图b)后颈部甲片侧视图c)头部右侧微刺区d)后颈甲片上背部的微刺e)后颈甲片上腹部的微刺f)头后部、头侧及脑区域的微刺a-前方向d-后背方向head-头jt-关节l-侧向mfh-头后表面的微刺区域ta-支撑三角,20,甲虫的翼锁装置a)、b)拟步甲科昆虫的后、侧胸廓区的微刺c)、d)赤拟合盗的后、侧胸廓区的微刺,21,生物表面的抗粘附机制（掌握）,1）大多数植物和有些动物被疏水性表皮覆盖疏水性表皮由聚酯基质中的类脂构成2）表皮表面经常被细胞生长物(毛状体)、折痕所刻蚀或被蜡晶体覆盖。疏水植物表面的粗糙度会降低润湿性，与相同组成的光滑表面相比，水滴的接触角更大3）污染植物表面的颗粒比那些疏水蜡更易湿润。污垢通常都停滞在表面结构的末端，以至于颗粒和植物表面间真正的接触面积很小。这些颗粒容易被表面滚下来的水滴除掉。由于颗粒和植物表面间的真实接触面积较小，颗粒和水滴间的粘附将大于颗粒和植物表面间的粘附。4）在光滑植物表面，污染颗粒和表面间的真实接触面积是足够大，以至于颗粒不会粘附到滚下的水滴上,图8水黾腿的扫描电镜SEM照片，(b)无数细长微刚毛，20m，(c)单根刚毛上的精细螺旋状的纳米凹槽结构，200nm,图7水黾能在水面上支撑15倍于身体的重量,23,a)c)疏水刻蚀植物表面的自净效应，在粗糙表面上，颗粒粘附在水滴上，然后被水滴从表面除掉d)-f)在光滑表面上，污染颗粒因滚下来的小水滴重新分布,24,图5荷叶,一阵风来碧浪翻，真珠零落难收拾,珠明浮盘戏，酒漾流杯晔,雨中荷花宋杜衍,玉井亭观荷宋杨万里,25,图7荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细结构构成（见右图）该表面为超疏水特性,26,Figure.SEMimagesof(a)rapepollengrains,(b)thePTFE-encapsulatedpollengrainscombinedonthePTFE-basedcoating,(c)thedetailedstructureofaPTFE-encapsulatedpollengrain.(e)Photographofawaterdropletonthesuperhydrophobicsurface.,27,28,中国国家大剧院,国家大剧院的建筑“皮肤”采用玻璃和钛金属板饰面，在壳体外设置有喷淋系统。壳体外的玻璃是防弹的，外层还涂有一层纳米材料，当雨水落到玻璃面上时就像水滴落在荷叶上一样，不会留下水渍。同时，纳米技术还大大降低了灰尘的附着力。,仿生物表面的抗粘附特性的应用简介（了解）,29,英国简氏防务周刊等国外权威军事杂志披露，中国目前的“汉”级改进型核潜艇和最新型的093、094级核潜艇，由于采取一种“艇用外壳表面仿鲨鱼皮技术”，即采用仿生学原理制造的、类似鲨鱼皮结构的消声瓦，潜艇噪音能控制在110分贝左右。,30,Fig.13SurfacestructureofShark,Fig.14Simulatedsharkssurfacewasappliedonairplane.,31,棕子棕叶表面条纹结构,32,Bio,Info,Cogno,Nano,图1.1会聚科技(ConvergingScience深奥的理论理解不再困难;学习效率显著提高,E=MC2,35,35,日本美女机器人在以色列上岗,在日本东京高岛屋的一款法国香水专柜，一个机器人售货员(右)为顾客介绍商品。这个身高165厘米的机器人被日本香水进口商“聘请”在圣诞购物季担任推销工作。,36,美国科学家正在研制间谍飞虫,美国哈佛大学工程与应用科学学院与加利福尼亚州立大学伯克利分校合作研制了一种昆虫机（entomopter）,美国研制的机械昆虫内部结构,37