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1、,第六章,智能高分子材料 与仿生化,绪论 智能仿生材料 天然生物材料的结构特征与仿生 生物体的表面性能及其仿生纳米 界面材料,主要内容,长颈鹿 萤火虫 乌龟 苍蝇 蝴蝶 甲虫 蝙蝠,冷光 一次可拍1329张的照相机 二元化武器 雷达 宇航员的失重现象 薄壳建筑物 迷彩服,仿生模仿生物的某些结构和功能来发明创造各种仪器设备，这就是仿生。,6.1 仿生学概述,仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学”。 仿生学是一门生命科学、物质科学、信息科学、数学和工程技术
2、等学科相互渗透而结合成的一门边缘科学。,迷彩服就是仿生斑马的条纹而制造的,仿生蝙蝠造出了雷达,长颈鹿的血液循环系统为人类的载人航天事业起到了至关重要的作用,蛋壳型的建筑,水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。,宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型，阻力系数也仅为0.29。,美国研发出一款举世无双的“海豚潜艇”，它不仅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一样时而潜入水中，时而跃出水面做
3、出惊险刺激的翻腾动作。,仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。,6.2 智能仿生材料,从仿生学的观点出发，仿生智能材料应具有或部分具有下列生物功能：,(1)有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将解结果提供给控制系统；,(2)有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释；,(3)有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适
4、当反应，并可预见未来并采取适当的行动；,(5)有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损；,(7)有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境作出响应。,(6)有自诊断功能，能对现在和过去的情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正；,(4)有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出响应；,例： 昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的长度约1-2um、直径约60nm)； 应用复眼机制，可制造出极薄的感知器。,生命体中特殊机能的
5、智能化大多与其微观结构密切相关。,存活了3亿年的昆虫-蟑螂,从感知风速到逃跑只需0.044秒，人类需要0.3秒 尾肢可对秒数2公分的风做出反应 可做微流速感知器,昆虫的触角可感知区区1个分子，并找出数公里外的气味源 模仿家蚕蛾的神经网络，设计出气味源探测器,六角形组成的的蜂巢结构，既轻又坚固 日本新干线车厢采用铝蜂巢结构 此结构也用于机翼上,鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状突起，这些突起在水中具有整流效果，可以减少水的阻力，从而使鲨鱼在水中能够快速前进。,能量重组：人们对萤火虫的发光机制作了研究,其发光原因是由于化学能高效率地转化为光能。虽然人类在化学领域中已体验了遗传信息的钥匙- 核酸的魅
6、力,在试管中实现其功能的研究也取得了很大的进步,但是像萤火虫的这种能量变换方法目前人类还做不到。随着地球上现在所使用的能源逐渐枯竭,人类寻求新能源的任务已迫在眉睫,如果能够找到象某些生物那样能够高效率地进行能量变换或者能量重组的材料与方法,将为人类的未来带来希望和光明。,萤火虫的发光，简单来说，是荧光素（在蓝光或紫外线照射下，发出绿色荧光的一种黄色染料 ）在催化下发生的一连串复杂生化反应；而光即是这个过程中所释放的能量。,超能吸水：我们常见的西瓜是一种含水量极高的水果,在它的启发下,人们研制了一种与西瓜纤维素构造相似的超吸水性树脂,它是用特殊设计的高分子材料制造的,能够吸收超越自身重量数百倍到
7、数千倍的水份,现在已用于废油的回收,既经济又高效。这种材料如果进一步得到完善的话,将来液体的包装和输送就可能用一种全新的技术来代替。比如,将来的饮料就不再是用现在的杯子来装,而是只要用一片薄膜即可 。,又叫水瓜，寒瓜,夏瓜，因在汉代从西域引入，故称“西瓜”。西瓜味道甘甜多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能祛暑热烦渴，因此有“天然的白虎汤”之称。西瓜除不含脂肪和胆固醇外，几乎含有人体所需的各种营养成分，是一种富有营养,纯净，食用安全的食品。,仿生空心结构材料：自然界中很多生物都是采用多通道的超细管状结构，例如许多植物的茎都是中空的多通道微米管，使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和
8、养料，为减轻重量以及保温，鸟类的羽毛也具有多通道管状结构，许多极低动物的皮毛具有多通道或者多空腔的微/纳米管状结构，具有卓越的隔热性能。,蜘蛛丝结构：直径约为几个微米（人发约为100微米），是由一些原纤的纤维束组成，原纤是几个厚度为纳米级的微原纤的集合体，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。 仿生强韧纤维材料：蜘蛛丝经过四亿年的进化，实现了结构与功能的统一，是世界上最强韧的材料之一，天然蜘蛛丝其抗拉强度超过了人类自制的钢和凯夫拉（根据科学家计算，一束铅笔粗细的蜘蛛丝可以使一架正在飞行中的波音747飞机停下来。,6.3 天然生物材料的结构特征与仿生,一、贝壳和珍珠的层状叠片结构与仿生 贝壳的
9、成分主要是碳酸钙和少量的壳基质构成，这些物质是由外套膜上皮细胞分泌形成的。 贝壳的结构一般可分为3层： 最外一层为角质层，很薄，透明，有光泽，由壳基质构成，不受酸碱的侵蚀，可保护贝壳。 中间一层为壳层，又称棱柱层，占贝壳的大部分，由极细的棱柱状的方解石（CaCO3, 三方晶系）构成。 最内一层为壳底,即珍珠质层，富光泽，由小平板状的结构单元累积而成、成层排列，组成成分是多角片型的文石结晶体（CaCO3, 斜方晶系）。,贝壳和珍珠在断裂前能经受较大的塑性变形，具有优异的高韧性。其主要原因是由于裂纹偏转、纤维（晶片）拔出以及有机基质桥接等各种韧化机制协同作用的结果。而这些韧化机制又与珍珠层的特殊组
10、成、结构密切相关。,贝壳是的强、韧的最佳配合,它又被称为摔不坏的陶瓷。,针对珍珠层特有的生物特征，清华大学模仿珍珠层的两级增韧机制，设计制备出仿珍珠层的具有较高强度和韧性的复合陶瓷。,二、骨骼的分级结构与仿生 松质骨和密质骨 例：长骨 两端骨骺（松质骨） 中间骨干（密质骨） 骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体,长骨的分级结构示意图,仿骨哑铃型晶须研制 动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密；两端粗大，骨质疏松。 凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。 长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压应力的冲击，另一方面在与肌肉组织
11、的协调配合上，粗大的端部有利于应力传递，更有效地发挥骨质致密的中段骨头的承力作用。这种骨头与肌肉的有效配合，使得肢体的比强度和持重比提高。,哑铃型晶须及其制备方法,三、仿生自愈合材料 生物愈合过程是有一些共性的。 （1）愈合过程是由损伤而引起的，在生命机能没有受到致命伤害的情况下，损伤是启动愈合机制的最基本条件； （2）在愈合初期，损伤逐渐被由损伤刺激而产生的增生组织所填充； （3）通过机体的输运、化学反应，填充在损伤部位的物质(如薄壁组织、凝块等)发生变化，强度提高，构成与周围组织的有效连接； （4）愈合过程需要一定的物质及能量供应，以产生填充损伤的组织，而向损伤处世行物质供应的输运过程都有
12、液相的参与； （5）生物的愈合是使损伤处的有效连接恢复。,受生物体损伤自动愈合的启发， White组研究并报道了一种具有自动修复裂纹能力的聚合物材料。这种材料嵌有内装修复剂的微胶囊，每个微胶囊约有头发丝宽，这些微胶囊遇到裂纹入侵时破裂，并通过毛细作用释放修复剂到裂纹面，修复剂接触预先埋入环氧基体的催化剂而引发聚合，键合裂纹面。这种损伤诱导的引发聚合使得裂纹修复实现了就地自动控制,四、竹木结构及其仿生 木纤维细胞壁构成： 短链高分子半纤维素缔结物质+纤维素集束成微纤丝的骨架物质+块状高分子木素硬化物质 复合结构：类似混凝土，有强度又有韧性,木纤维微观结构示意图,仿竹木结构的纤维独石结构陶瓷材料,
13、6.4 生物体的表面性能及其仿生 纳米界面材料,1、粗糙结构荷叶效应,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,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。,在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。另外，在荷叶的
14、下一层表面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。,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。,类水稻叶表面碳纳米管薄膜,蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层堆积而成。,3. 昆虫翅膀表面的自清洁性,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。
15、,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。,水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。,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
16、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,模仿水黾“水上漂”功夫的机器人,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4001000根更细小的分支。 壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积（范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生的一种微弱的电磁引力）。 壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。 壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。,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,（44）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。
