1、仿生智能纳米界面 材料概述,专题二,1. 仿生智能纳米界面材料的设计思想,1.1 生物启发的理念,生命中与智能相关的科学问题无处不在，参与的生物体的器官也遍及全身。在生物体中，对外界刺激的响应及各种生命过程的实现都是基于生物大分子内或分子间相互作用的改变。,a. 嗅觉,b. 视觉,c. 听觉,生命体中特殊机能的智能化大多与微观结构密切相关，向自然学习，就是认识和模拟生物体特殊的微观结构与其优异性能的关系,1.2. 自然界中的微观结构与宏观性能的统一,1.2.1 特殊的表面性能,1.2.2 生物体的结构颜色,1.2.4. 先进的光学系统,1.3.1 天然生物材料的多尺度结构,许多具有突出力学性能
2、的天然生物材料都具有不同尺度的自组装多级结构。如骨骼的精巧的多尺度分级结构，使其具有优异的力学性能。1. 结构上的多尺度，即胶原质分子由钙化的无机物颗粒联结首尾构成胶原纤维，胶原纤维之间由界面聚合物构成的纤维间基质；2. 形变时多尺度的响应，表现为矿物质化纤维中的无机物颗粒尺度越小，其强度越大；由聚合物组成的纤维间基质使纤维间可切向位移，增加骨骼的韧性。,1.3. 多尺度结构的构筑和特性,材料体系的分子结构、纳米结构、微米结构等结构的多尺度效应是形成材料新功能的内在本质。分子结构的多样性决定了材料千变万化的功能和性质。纳米结构具有纳米微粒的特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等，又存在由
3、纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等，所以，纳米结构很容易通过外场（光、电、磁）实现对其性能的控制。总之，材料体系的设计，不局限于块状材料，从分子、分子簇拓展到纳米结构和微米结构，使材料本身在宏观上产生奇异的物性。,2. 自然界中具有特殊表面性能的生物体,2.1 粗糙结构-荷叶效应,植物叶表面的自清洁效果引起了广泛关注，其中以荷叶为典型代表，因此称为荷叶效应（lotus effect）。1997年，德国波昂大学的植物学家Barthlott和Neihuis针对这一现象进行了研究。发现自清洁特征是由粗糙表面上微米结构的突起以及表面疏水蜡质物质的存在共同引起的。自清洁表面表现为：表
4、面具有超疏水性；很强的抗污能力，表面灰尘可以被滚落的水滴带走。从此以后，莲花效应就成了纳米科技最具代表性的名词。,莲叶的表面具有大小约 515 m 细微突起的表皮细胞；表皮细胞上又覆盖着一层直径约1nm疏水性的蜡质结晶。,在荷叶表面突起間的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄，只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上突起的形成几个接触点。再加上叶片表面的蜡质结构的帮助，使水与叶面的接触面积更小而接触角变大。,2.1.2 荷叶的纳微结构的作用,美国的两位研究学者发现，若只考虑水滴或水珠，莲叶确实呈现超疏水现象
5、，一旦遇上凝结的水蒸气，莲叶却反而呈现亲水性。水蒸气凝结成的水滴陷在叶面的纳米微管间，随着小水滴逐渐连接合并，最后会填满叶面介于微米级突起物之间的凹处，因此对于落在叶面的外来水珠产生粘滞效果，使叶面展现亲水性而非疏水性。,由水滴与表面的接触角作为其亲、疏水性的判断： 接触角90斥水性(hydrophobic)表面，如2,2.1.1亲水性、疏水性和自清洁概念,以莲叶为例，水珠与叶面接触的面积大约只占总面积的2-3%，若将叶面倾斜，则水珠被迫以滚动方式运动。滚动时，会顺利吸附起叶面上的污泥颗粒，一同滚出叶面，达到清洁的效果。 同样具有疏水性的光滑表面，水珠只会以滑动的方式移动，并不会夹带灰尘离开，
6、因此不具有自洁能力,在自然界中，植物总是暴露在各种污染源当中，例如灰尘、污泥，还有一些细菌、真菌等。莲叶上复杂的纳米与微米结构除了有自洁的功能外，还可以防止受到细菌、病源体的感染，只要经过一场大雨，就能煥然一新。 目前莲花效应的概念主要是应用在防污防尘上，透过人工合成的方式，将特殊的化学成分加入涂料、建材、衣料內等，使其具有某些程度的自洁功能，以实现防尘的目的。,2.1.3 荷花效应的应用,STO 公司：表面涂刷Lotusan涂料的壁面与水珠接触情形,BASF 公司：莲花喷雾剂是一种由纳米微粒及疏水性聚合物混合组成的镀膜喷剂。,Creavis 公司：纳米粒子覆盖表面的产品。（US 200300
7、13795 A1）,2.2 绒毛结构-弹性效应,自清洁性的另一种方式：表面覆盖绒毛，例如斗篷草，能使水滴保持球形，并且随意滚动。这种方式，不是单纯利用表面的粗糙结构，而是由于表面张力的作用，使绒毛趋向于聚集成簇而导致绒毛的弯曲，从而聚集了弹性势能。此时，水和空气界面就会被绒毛卡住，依靠弹性阻止水滴向下润湿表面。然而，这是一种动力学稳定态。因为，因为绒毛本身是亲水的，柔性的，在水的压力比较大时依然会接触底部，将整个表面润湿。此时，又回到由粗糙结构和表面组成决定的热力学稳定状态 。,2.2 表面各向异性,2.2.1 表面微米结构的排列方式对滚动各向异性的影响,水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有
8、序，水滴在沿这个方向的滚动也更加容易。,鹅毛和鸭毛的防水功能归因于羽毛上排列整齐的微米及亚微米尺寸的条形结构，这种有序的微观结构可以使水滴易于顺着条带向外侧滚离，具有定向排水的功能。,蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上又分布有排列整齐的纳米条带，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。这种结构使蝴蝶翅膀有各向异性的浸润性。,主要原因是在于表面特殊的微观结构使得在不同方向上的三相接触线的不同。当微米鳞片与纳米条带末端分离时，开口加大，有大量的空气存在于水滴与翅膀表面，从而形成不连续的的三相接触线，水滴与表面接触面积小，易于滚离；相反，当两者的末端紧密排列，末端开口缩小，水滴与翅膀之间不存在
9、空气，水滴与表面接触面积大，呈粘滞状态。,2.3 昆虫复眼的减反射功能,飞蛾的复眼是由六角形排列有序的纳米结构阵列构成。这个阵列被认为是角膜表面的同质透明层，每一个纳米结构突起是一个减反射单元，因此产生低反光性，使其看起来异常黑，即使在夜间飞行也不易被察觉，被称为蛾眼效应。蝴蝶的角膜也具有类似的蛾眼纳米结构。不同种类蝴蝶复眼纳米结构的尺寸不同，导致表面的减反射程度不同，纳米结构的高度越大，其表面的反射率越低。,2.4 水黾在水面行走的原理,这种优异的水上特性，是利用其腿部特殊的微米和纳米相结合的结构效应来实现。腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。直径不足3微米，在表面有螺旋状的纳米
10、沟槽结构，吸附在沟槽中的气泡形成气垫，宏观上表现出腿部的超疏水特性。,水黾的多毛腿一次能够在水面上划出4mm长的波纹，能排开300倍于其身体体积的水量，导致了非凡的浮力，这种浮力能让水黾的一条腿能在水面上支撑15倍于身体的重量，这种能力使水黾在水面上行动自如。,2.5 壁虎在墙壁上行走的原理,壁虎特殊的粘附力是由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。,东南亚大壁虎的每只脚底部长着大约50万根极细的刚毛，每根刚毛约有100微米长，刚毛末端有大约400-1000根更细小的分支。范德化力就是由刚毛的精细分支与物体表面间产生。根据计算，壁虎的全部刚毛能支持1225N力，而实际
11、上，壁虎一只脚趾就能够支撑整个身体。,2.6 沙漠集水昆虫,非洲纳米布沙漠生活的一种甲虫，背部翅膀上有许多麻点突起物，具有独特的寻水方式。沙漠多风，少雨，雾大，甲虫的寻水与雾相关。,麻点表面光滑，类似山峰，没有其他物质覆盖，具有亲水性，而麻点之间，类似山谷的地方，覆盖着蜡状外衣的微米结构，形成类似荷叶的超疏水层。大雾来临时，沙漠甲虫倒立，雾中的小水珠会凝聚在麻点上，然后顺着防水的山谷流下，最终进入甲虫的口中。,2.7 自然界中的结构颜色,自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物经过进化选择了结构颜色，即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。如鸟类的羽毛、昆虫等的颜色来源于薄膜
12、干涉。,2.7.1 孔雀羽毛的绚丽色彩,孔雀羽毛的颜色来源于小羽枝表皮下面的周期结构。实验和理论模拟显示二维周期结构沿表皮方向对某一波段的光有很强的反射，形成颜色。其调控方式有两种，一是调控周期长度，一是调控周期数目。蓝色、绿色、黄色、棕色小羽枝对应的周期长度依次增大，棕色羽毛还用Fabry-Perot干涉效应，造成额外的蓝色，形成混合色而呈棕色。,生物体经过几十亿年的进化，使其不仅适应于自然而生存，而且其适应程度近乎于完美。生物体的一些奇妙的功能远远超乎于人类自身先前的设计，同时为人类解决疑难问题提供了答案。对自然界中的一些智能化表面的探究，给仿生材料的设计提供了一条有效的途径，在生物和其他学科间架起了一座桥梁。从材料科学的角度更加深入的研究天然生物材料的结构和功能，并通过再现生物体特异功能的原理，最终找到解决问题的途径和方法。,3. 仿生智能纳米界面材料的研究意义,
