仿生学的发展

仿生学的发展

模仿生物的结构和性质，为工程技术提供一种新的设计思想和工作方法的模仿，并于20世纪60年代开始发展。这是介于生物科学和工程科学之间的边缘学科。模仿的基础是模仿。一般来说，模仿生命系统的结构和工作原则，侧重于完整性。例如，模仿鱼类，并将舵安装在船舶的背面以解决船的定位问题。模仿鸟类的翅膀，设计飞机的翼。根据昆虫的听觉装置，反应转化为信号，并开发出先进的气体分析仪。模仿人类肌肉的结构和功能，开发具有逻辑能力的人工神经网络系统等。近年来,基于仿生科学而进行的各种新型材料的开发和研究正在各个领域广泛开展,纺织纤维工业也不例外.尽管生物的组织结构和功能非常精密并难以捉摸,然而,一旦了解到结构与功能的联系方式,就可以在纺织纤维工业方面复制出所要求的具有生物功能的纤维产品,从而探索并开发与生物界对应的仿生纤维和仿生纺织产品.1荷叶效应的概念众所周知,荷叶素有“出淤泥而不染”之称,被视为纯洁的象征.对荷叶的这种“自洁”现象,人们进行了研究,20世纪90年代,德国植物学家波恩大学wilhelmBarthlott教授揭示了荷叶表面的结构,发现荷叶的“自洁性”源于其表面的微细结构.荷叶表面有许多乳头状凸起,凸起部分的高度为5～10μm,凸起之间的间隙为10～15μm,乳头状的表面又被许多直径为1nm蜡质晶体所覆盖(如图1).由于蜡质晶体的尺度属纳米级尺度范围,因而又被称为“纳米结构”.在这些微小的凹凸之间,储存着大量的空气.这样,当水滴落到荷叶上时,由于空气层、乳头状突起和蜡质层的共同托持作用,使得水滴不能渗透,而能自由滚动.荷叶效应的秘密主要就在于它的微观结构和纳米结构,而不在于它的化学成分.Holloway于1994年对荷叶等植物的表面化学成分进行了分析.所有植物表面都有一层表皮,表皮将植物与周围环境隔开.所有植物的表皮主要成分都是埋置于多元酵母体内的可溶性油脂,因此,植物的表皮都具有一定的拒水性.经过对2万种植物表面进行分析后发现,具有光滑表面的植物都没有拒水自洁的功能,而具有粗糙表面的植物,都有一定的拒水作用.在所有的植物中,荷叶的拒水自洁作用最强,水在其表面的接触角达到160.4°.除了荷叶外,芋头叶和大头菜叶的拒水自洁作用也很强,水在其上的接触角分别达到160.3°和159.7°.研究人员通过对水滴表面与荷叶(含其它体材料)表面的接触,做连线式切面研究,发现材料的接触角大小、形态决定其疏水、疏油、抗污能力.确切地说,这个接触角(静态)越大、滚动角(动态)越小,其疏水、疏油、抗污能力越强,水珠也更趋于球状.比如,鸟的羽毛和荷叶的表面都具有超强疏水性,其接触角和滚动角分别为150°和5°及160°和3°.当水落在疏水又粗糙的荷叶表面时,水与叶面接触面积甚小,仅2%～3%,从而减少了两者间的摩擦力,使水滴极易滚落.即使是粘性液体,如蜂蜜、胶水等也能从叶面滚落而不玷污叶面.当叶面沾有尘埃等固体微粒时,尘埃能被水润湿而粘附在水滴上,并随水滴的滚落而被洗掉.令人惊讶的是,即使是疏水性污垢,由于其与叶面上凸起部分的接触面积极小,使水和油性污垢间的粘着力大于凸起部分上蜡晶体与油性污垢间的粘着力,因而也很容易随水滴的滚落而被洗去.荷叶的这种“自洁性”被称为“荷叶效应”.荷叶效应是植物生存的需要.由于这种自洁性,使微生物、细菌、水藻、孢子等也易于被雨水冲洗去而难以在荷叶表面滋生繁殖.2等离子体处理技术.通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知,具有高度拒水自洁的织物必须具备如下条件:①首先应使纤维表面具有基本的拒水性能(即水在其表面的接触角大于90°).可以通过纳米技术、等离子体处理技术和涂层浸轧技术达到.如:利用高温下有机过氧化物等分解形成自由基,引发自由能较低的含硅或含氟的有机单体,对涤纶织物表面接枝改性.②使织物具有粗糙的表面(具有荷叶的微观结构和纳米结构).虽然织物表面本身是非常粗糙的,但这种粗糙结构是以纤维为最小单位,远大于纳米结构的要求.拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙,该粗糙应达到纳米级水平.3rsl—织物的防水原理织物的润湿机理见图2.所谓接触角是指液滴端口的切线与固体液体界面间的角度.位于固体平面上的液滴受下列平衡力的作用:RSV=RSL+RLVcosθ(1)式中:θ——固液气三相边界处的接触角;RSL——固-液间的表面张力;RSV——固体表面张力;RLV——液体表面张力.式(1)表明织物润湿性取决于固体和液体的表面自由能.当织物临界表面张力低于水的临界表面张力(7.3×10-4N/cm)时,便具有拒水性能.当θ>90°时,织物具有拒水性能,当θ<90°时,织物具有亲水性能.当θ>90°时,接触角随织物表面粗糙度的增加而增大:当θ<90°时,接触角将随表面粗糙度的增加而减小.水在各种常用纤维表面上的接触角如表1所示.从表1中可看出,不同的测定者,数据是有差异的.但从总体上看,没有一种纤维使水在其表面的接触角大于90°.所以常用纺织纤维都不具有拒水能力,当然,更不具有拒油的能力.4材料和自清洁材料的制备(1)浙江弘景材料科技股份有限公司在中科院、浙江省纳米材料应用工程技术中心、浙江大学等科研院校大力支持下,利用纳米材料比表面积大、多孔结构、表面原子数所占比例大、表面原子的不饱性等理化性能,以及两个混合相之间产生很大的作用力这一原理,在体材料表面设计、构造纳米结构界面(空气薄膜)保护层.使界面形态呈凸凹丛针状纳米结构.经检测,水滴在其表面的接触角为160°,滚动角为3°,具有超疏水性.进而采用环氧化合物修饰后,又呈现出超双疏性,也就是说,水相油相(食用油)材料与双疏界面材料的接触角都大于170°,滚动角都小于2°,此时,水在仿荷叶状的界面上呈球状,稍有外力,即可快速滑动,而不在表面留下任何痕迹,呈现出超强的双疏性能,即疏水、疏油功能,这种功能材料称为超双疏界面材料.据专家介绍,对此制备工艺稍加调整,就可制备出兼有驱除蚊蝇、抗菌防霉、超强阻燃、抗静电及按需调配的多种功能型界面材料.(2)日本帝人纤维公司以天然荷叶表面结构为模型,通过对长丝形状、织物组织结构、拒水整理技术的研究,首家开发的超拒水织物——MicrosoftLotus即为1例.该织物为具有荷叶表面结构的聚酯高密织物,其特点是高拒水、透湿性,即使在倾盆大雨中,也不会形成水膜而降低透湿性.(3)德国BASF公司科技工作者正在研究将纳米微粒与疏水性聚合物(聚乙烯、聚丙烯、石蜡等)制成溶胶喷涂于材料表面,形成类似荷叶的表面,当雨水冲击该表面时,水珠就会连同表面的尘埃和污垢一起滚落,从而使材料表面保持清洁,而且即使在大雨中,表面尚能保持干燥.他们认为此项技术尤其适用于纸张、纺织品、建筑材料等粗糙表面.目前正在开发自洁纺织品不久也将问世.BASF公司开发出一种喷射防水薄膜,该薄膜模仿了荷叶不吸收水滴及灰尘微粒的方式.这种基于聚丙烯、聚乙烯和蜡纳米粒子的薄膜可用于制得自清洁窗,也可应用于造纸、皮革、纺织和砖石建筑.当它干燥时,这种薄膜形成一种模仿荷叶表面的纳米结构表面,直径大约为1nm的蜡纳米结晶以峰和谷排列,表面的所有水成为水珠并滚落,在暴雨下表面仍保持干燥.水滴在滚动时将细小的灰尘颗粒收集,以致达到表面自清洁.这种薄膜可以采用常用的气雾剂喷射到物体表面,当其作用逐渐消失后,可很容易地重新喷一次.该公司仍在对这种防水薄膜进行细微的调整.(4)土耳其科贾埃利大学的研究人员通过首次在溶剂中分解聚丙烯,一种普遍应用的简单塑料再造出了这种天然的超强疏水表面.然后,他们加入一种凝结剂并把它涂到载物玻璃片上.在一个真空烤箱中使溶剂蒸发后,他们就得到了一种多孔的凝胶层,其接触角度达到160°,防水能力堪与荷叶媲美.(5)高分子物理和化学国家重点实验室徐坚研究小组,仿照荷叶表面具有的微米-纳米双重结构特点,先通过分子设计制备出聚合物的微米-纳米双重结构,再利用聚合物在溶剂蒸发过程中的自聚集、曲面张力和相分离原理,在室温和大气条件下采用一步直接成膜法构筑出类似荷叶表面微结构的聚合物表面.该表面具有超疏水和疏油性质,水和油的接触角为166°和140°,其滚动角为3.4°±2.0°,水珠可在其表面自由滚动,具有与荷叶表面相似的自清洁效应;同时该仿生表面还具有类似荷叶的自修复功能,其最外层在被破坏的状况下仍可保持超疏水和自清洁功能.该研究提出了一种简便易行的直接成膜法,对于开发新一代的仿生表面和涂料具有重要的指导意义.(6)纳米复合外墙乳胶涂料.把具有独特界面效应的纳米粒子经表面改性处理,并结合特殊分散手段的生产工艺,从而使漆膜表面具有超强疏水特性,而使该纳米复合外墙涂料的耐候、抗污、耐水、耐酸雨、防霉、防藻等性能更优异,该涂料能替代瓷砖应用于潮湿最重、污垢较多的卫生间、厨房、医院等建筑的内墙之中.(7)模仿荷叶的叶面结构,Sto集团技术人员研制出了“荷花王”硅树脂外墙涂料,让它具有同样的微结构后,与荷叶相似的平面便也有了荷叶效应,这一点已经由知名机构进行了检测和验证.在用“荷花王”(Lotusan)涂刷过的墙面上,脏物随雨水象珍珠滴落,外墙保持干燥和美观.更大的优点在于:霉菌和藻类的繁殖在总是干燥的墙面上变得困难许多,对于房屋业主来说,这意味着延长了房屋修缮和维护的周期.5其他交通性材料.建筑物外墙荷叶的这种结构使落在荷叶上的灰尘不会堆起来,却容易聚集到水珠表面.试想:若合成纤维衣料表面做成此结构,穿脏的衣服放进水里涮涮就干净了,不需要再用洗涤剂,那么洗衣店可能就该永远关门.还有,交通路标、混凝土、建筑物外墙也可使用做成这种表面结构.这样,交通路标具有自洁功能.混凝土建筑可以防止涂鸦