仿生智能材料2011-2课件

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

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°。

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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

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

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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

哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材，并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

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模仿水黾“水上漂”功夫的机器人

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2.1.4在墙壁上行走的动物—壁虎壁虎的每只脚底长着大约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材料

（4×4）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。2.1.5自然界中的结构颜色自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或矿物经过进化却选择了结构颜色。结构颜色：依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作用而产生颜色。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

静态色：

指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色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

动态色：指那些可随周围环境及条件变化的颜色变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色具有结构色及动态色的生物大都由光子晶体组成。光子晶体：指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。（是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。）光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。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。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）色彩斑斓的蝴蝶翅膀20um10um2.1自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料

仿蝴蝶结构AhighermagnificationSEMimageofanaluminareplicatedscale,wherethereplicaexhibitsexactlythesamefinestructures.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

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固液液固气气固液液固(2)浸渍润湿(1)沾湿润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取代的过程。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

固固液液气(3)铺展or完全润湿固体的表面自由能越大，越易被一些液体所润湿。Wenzelmodel粗糙表面的存在使得实际上固液的界面要大于表观几何上观察到的面积，于是在几何上增强了疏水性（或亲水性），他假设液体始终能填满粗糙表面上的凹槽，则平衡时表观接触角θc与本征接触角θ

之间的关系为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、真实固体表面的接触角----理论模型Cassiemodel液滴在粗糙表面的接触是一种复合接触，不同成分的表面以极小块的形式均匀分布在表面上，每一小块的面积都远小于液滴的尺寸。当表面结构疏水性较强时，在疏水表面上的液滴并不能填满粗糙表面上的凹槽，在液滴下有截留的空气存在，则平衡时表观接触角θc与本征接触角θ之间的关系为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自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料

3、特殊浸润性超亲水、超疏水、超亲油、超疏油是固体表面四个特殊的浸润性。超疏水（油）表面的接触角应大于1500，滚动角小于50；超亲水（油）表面的接触角应小于100度。滚动角：一定重量的液滴在一固体表面开始移动所需的临界倾斜角。

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》仅通过表面化学组成很难获得大于120的接触角》有着阶层结构的表面能够使任何材料构成的表面变得不可润湿，即在亲水材料表面构筑阶层结构也可能得到疏水表面粗糙结构可使亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。（超）疏水（油）表面方法：构筑多元的微纳阶层结构构筑低能表面涂层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

3、超亲水/超疏水智能响应性表面（1）光响应性表面例：在玻璃基底沉积TiO2薄膜,具有微纳米级的复合结构,表面含大量的乳状突起.经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后,静态接触角164度,滚动角4度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

例：具有浸润、变色双功能的“光开关”氧化钨薄膜

采用电化学沉积制备纳米结构的氧化钨薄膜。该薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地实现了光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质的有效结合。

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）三态浸润性仿生智能开关表面

在基底上制备温度响应高分子的可逆开关；制备阵列氧化锌纳米棒，实现表面浸润性由超疏水向超亲水转变；构筑光开关的浸润性和颜色双重响应的氧化钨纳米薄膜；以及温度和pH值双重刺激的超疏水与超亲水可逆转换聚合物薄膜．将DNA纳米马达固定在阵列微结构的金基底上，构筑了一个新颖的智能表面。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自然界的几种生物体的表面性能及其仿生纳米界面材料

通过酸碱刺激，在该表面上可以实现如图所示的超亲水、亚稳的超疏水和稳定的超疏水三种状态之间的转换。这三种状态分别对应于DNA的三种构型折叠的四链结构、伸展的单链结构与刚性的双链结构。DNA三种构象的变化使得所构筑的表面顶部的化学功能团也相应地发生变化，从而导致了表面浸润性的转变。

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close时表现出亚稳的超疏水性(微小的刺激会使超疏水性失去)．open时显示出超亲水性，locked时稳定的超疏水性。

2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料天然蛋白生物材料，是一种由不同氨基酸单元(主要为丙氨酸和甘氨酸单元)组成的链段共聚物。1.天然蜘蛛丝：“生物钢”2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料

天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域,即无定形区和结晶区形成的微相分离结构。结晶相以纳米晶的形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。结构决定性能2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料

2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料

将一种侧链带叔胺基团水溶性聚氨酯和聚丙烯酸溶液在玻璃片上通过自组装形成双分子层膜,然后层层叠压,制备出具有从纳米到微米尺度范围多层次结构的聚氨酯/聚丙烯酸(PU/PAA)纳米复合材料.所制备的复合材料具有单一组分3倍的强度和韧性.2.2天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料

(A)ExperimentalprocedureforconsolidationofPU/PAAfilms:(1)thefilmsareallowedtoswellinwater,(2)anynumberoffilmsarestackedtogetherintoasandwichstructuretoachieveconformaloverlap,(3)thestackisdriedat100℃undervacuumtoremoveanybubbles,(4)thedriedstackishotpressed,(5)finalconsolidatedstackisremovedfromthepress;(B)photographof100-bilayerPU/PAAfilmbeforeswelling;(C)photographof100×100bilayerfilmscombinedintoastackafterswellinganddrying;(D)photographofafinalhot-pressedstackfrom(C).2.蚕丝：“纤维皇后”蚕丝由20多种氨基酸组