专题二-仿生智能纳米界面材料.ppt

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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1.2.3完美的生物矿化材料1.2.4.先进的光学系统1.3.1天然生

2、物材料的多尺度结构许多具有突出力学性能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

3、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（lotuseffect）。1997年，德国波昂大学的植物学家Barthlo

4、tt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5~15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

5、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，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°亲水性(hydrophilic)表面，如θ1接触角>90°斥水性(hy

6、drophobic)表面，如θ2θ2θ1θ22.1.1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，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

7、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。（US20030013795A1）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

8、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