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1、纳米材料学 周惠敏周惠敏 1 周惠敏周惠敏 内容纲要内容纲要 ?5.1 仿生材料学 ?5.2 纳米仿生材料纳米仿材料 2 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.1 仿生学材料学的提出仿生学材料学的提出 仿生学仿生学：Bionics 1960年年9月月J.Steele正式提出了仿生学的概念，即模仿生物系正式提出了仿生学的概念，即模仿生物系 统的原理来建造技术系统统的原理来建造技术系统或使人造技术系统具有或类似于或使人造技术系统具有或类似于 仿生学仿生学：Bionics 统的原理来建造技术系统统的原理来建造技术系统，或使人造技术系统具有或类似于或使人造技术系统具有或类似于 生物系统表征的科学。生物
2、系统表征的科学。 最早的仿生学侧重神经细胞最早的仿生学侧重神经细胞感知器官的研究感知器官的研究近近20年来年来最早的仿生学侧重神经细胞最早的仿生学侧重神经细胞、感知器官的研究感知器官的研究；近近20年来年来， 人们成功地把木、骨和韧带的力学性能及其结构应用到聚合 ， 人们成功地把木、骨和韧带的力学性能及其结构应用到聚合 物和复合材料等方面物和复合材料等方面。对仿生学的研究不再局限在细胞对仿生学的研究不再局限在细胞、电电、物和复合材料等方面物和复合材料等方面。对仿生学的研究不再局限在细胞对仿生学的研究不再局限在细胞、电电、 磁等方面，已扩展为一个涉及面广的学科。磁等方面，已扩展为一个涉及面广的学
3、科。 仿生材料学是仿生学在材料科学中的分仿生材料学是仿生学在材料科学中的分仿生材料学是仿生学在材料科学中的分仿生材料学是仿生学在材料科学中的分 支，是一个 新型的交叉学科，包括材料 科学与工程、分子生物学、生物化学、 支，是一个 新型的交叉学科，包括材料 科学与工程、分子生物学、生物化学、 3 物理及其他学科。物理及其他学科。 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.1 仿生学材料学的提出仿生学材料学的提出 仿生材料学仿生材料学： Biomimetic Materials Science仿生材料学仿生材料学： Biomimetic Materials Science 仿生材料学：从分子水平上研究
4、生物材料的结构特点、构效仿生材料学：从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效 关系关系从而研发出类似或优于原生物材料的门新兴学科从而研发出类似或优于原生物材料的门新兴学科关系关系，从而研发出类似或优于原生物材料的从而研发出类似或优于原生物材料的一一门新兴学科门新兴学科， 是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。 ， 是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。 原理原理向生物学向生物学模仿或取得启示模仿或取得启示仿造具有生物仿造具有生物?原理原理向生物学向生物学习，习，模仿或取得启示模仿或取得启示，仿造具有生物仿造具有生物 结构、特点和功能的新学科。结构、特点和功能的新学科。仿生是方法仿生
5、是方法 ?结构仿生结构仿生可降解的肽键，氢 键，自组装结构，分级结构，优 可降解的肽键，氢 键，自组装结构，分级结构，优 化的结构等）化的结构等） ?功能仿生功能仿生催化，传输过程，催化，传输过程， 4 分子识别等）分子识别等） 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容仿生材料学的研究内容 从从Bionics到到Biomimetics，研究的范围及影响已得到充分扩研究的范围及影响已得到充分扩从从Bionics到到Biomimetics，研究的范围及影响已得到充分扩研究的范围及影响已得到充分扩 展。人们充分利用经过一万年进化所造就的种种优良结构形 式及生化过程，学习他们高效
6、率地利用原材料及空间的精神 展。人们充分利用经过一万年进化所造就的种种优良结构形 式及生化过程，学习他们高效率地利用原材料及空间的精神 和能力等。和能力等。 5 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容仿生材料学的研究内容 仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料。仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料仿生材料是受生物启发或模拟生物的各种特效而开发的材料。 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、结成分、结 构仿生构仿生、模拟生物体中
7、形成材料的、模拟生物体中形成材料的过程和加工制备仿生过程和加工制备仿生、模仿生、模仿生 物体系统功能的物体系统功能的功能仿生功能仿生物体系统功能的物体系统功能的功能仿生功能仿生。 ?结构生物材料的物理和化学分析，以便更好地理解其结构的设计和性结构生物材料的物理和化学分析，以便更好地理解其结构的设计和性 能能能能； ?直接模仿生物体进行的材料制备与开发；直接模仿生物体进行的材料制备与开发； ?利用生物加工技术制备材料的力学行为分析利用生物加工技术制备材料的力学行为分析；?利用生物加工技术制备材料的力学行为分析利用生物加工技术制备材料的力学行为分析； ?在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等
8、新概念，进行新型 合成材料的设计； 在模仿过程中受到启发，以所得到的结构、化学等新概念，进行新型 合成材料的设计； ?仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面；仿生材料和结构在新领域中的应用，如在机器人和航空结构等方面； ?在生物的结构力学分析指导下，对现有结构设计进行优化；在生物的结构力学分析指导下，对现有结构设计进行优化； 6 ?生物材料及结构在进化过程中，所用设计标准的分析；生物材料及结构在进化过程中，所用设计标准的分析； ?模仿生物体进行的某些系统的开发，如超灵敏度机械接收器。模仿生物体进行的某些系统的开发，如超灵敏度机械接收器。 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1
9、.2 仿生材料学的研究内容仿生材料学的研究内容 成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例贝壳仿生材料贝壳仿生材料成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例贝壳仿生材料贝壳仿生材料 7 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容仿生材料学的研究内容 成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例蜘蛛蜘蛛丝丝仿生材料仿生材料成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例蜘蛛仿生材料蜘蛛仿生材料 蛛丝（蛋白质纤维）是世界上最坚韧 的纤维材料杜邦公司利用基因技术的纤维材料。杜邦公司利用基因技术， 已制造出具有蛛丝特性的蛋白质并制 成纤维，具有更高的强度、韧性和耐具 磨性。 液晶纺丝 1.4万只蜘蛛产出的蛛丝万只
10、蜘蛛产出的蛛 仅有1盎司（约28.35克） 8 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.2 仿生材料学的研究内容仿生材料学的研究内容 成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例蜘蛛蜘蛛丝丝仿生材料仿生材料成分和结构仿生举例成分和结构仿生举例蜘蛛仿生材料蜘蛛仿生材料 蛛丝纺织品（六氟异丙醇溶液）蛛丝纺织品（六氟异丙醇溶液） 70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球体 蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取 9 蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上抽取 了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织成这块 11英尺4英尺的披肩（重1.18kg） 5.1 仿生材料学仿生材料学 5.1.2 仿生材料学
11、的研究方法仿生材料学的研究方法 仿生的目的仿生的目的不仅要去模仿生物材料的结构形式不仅要去模仿生物材料的结构形式还要观察还要观察仿生的目的仿生的目的，不仅要去模仿生物材料的结构形式不仅要去模仿生物材料的结构形式，还要观察还要观察、 分析生物结构现象，探索其规律，理解其实质，把它应用到 现代材料及器件的设计和制备中。 、 分析生物结构现象，探索其规律，理解其实质，把它应用到 现代材料及器件的设计和制备中。 ?明确目标材料存在的问题明确目标材料存在的问题； 仿生材料学研究的方法应该包括：仿生材料学研究的方法应该包括： ?明确目标材料存在的问题明确目标材料存在的问题； ?在自然界寻找相关的材料体系，
12、并研究其内部结构、性在自然界寻找相关的材料体系，并研究其内部结构、性 能的规律能的规律，发现其实质发现其实质，直接或间接地获得灵感直接或间接地获得灵感，启发启发能的规律能的规律，发现其实质发现其实质，直接或间接地获得灵感直接或间接地获得灵感，启发启发 人们的思想，建立模型并进行定量计算；人们的思想，建立模型并进行定量计算； ?提出新材料模型提出新材料模型，优化材料设计优化材料设计，并用模型材料验证理并用模型材料验证理， 论模型；论模型； ?实际制备新材料，若发现问题，进一步仿生，完善所提实际制备新材料，若发现问题，进一步仿生，完善所提 10 模型，并据此制备材料，如此反复，直到可应用于实际 工
13、程中。 模型，并据此制备材料，如此反复，直到可应用于实际 工程中。 5.2 纳米仿生材料纳米仿生材料 纳米材料以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与 传统的块体材料。纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点 纳米材料以其体积效应和表面效应显著区别于一般的颗粒与 传统的块体材料。纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点 核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天 然生物米材料然生物米材料这些成分相作这些成分相作编个复杂与完编个复杂与完 已开始转向纳米仿生材料。已开始转向纳米仿生材料。 然生物然生物纳纳米材料米材料。这些成分相这些成分相互
14、互作作用用，编编织了一织了一个复杂与完个复杂与完 美的生物世界。美的生物世界。 肾肾表等都表等都自然界动物的筋、牙齿、软自然界动物的筋、牙齿、软肾肾、皮、骨骼和昆虫、皮、骨骼和昆虫表表皮皮等都等都 是纳米复合材料。很多动植物体内都存在着纳米结构，是是纳米复合材料。很多动植物体内都存在着纳米结构，是 仿生学研究的重要方向之一仿生学研究的重要方向之一仿生学研究的重要方向之一仿生学研究的重要方向之一。 ?5.2.1 仿生特殊浸润性界面材料的研究仿生特殊浸润性界面材料的研究 5 2 2 壁虎仿生粘附材料的研究壁虎仿生粘附材料的研究?5.2.2 壁虎仿生粘附材料的研究壁虎仿生粘附材料的研究 ?5.2.3
15、 其他纳米仿生材料其他纳米仿生材料 纳米仿生材料的制备纳米仿生材料的制备 11 ?5.2.4 纳米仿生材料的制备纳米仿生材料的制备 ?5.2.5 纳米仿生材料的应用纳米仿生材料的应用 5.2 纳米仿生材料纳米仿生材料 5.2.1 植物表面浸润性的仿生研究植物表面浸润性的仿生研究 1 荷叶效应荷叶效应 荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的 碳水化合物碳水化合物，有丰富的羟基有丰富的羟基（-OH-OH）、（）、（-NH-NH）等极性基团等极性基团， 1. 荷叶效应荷叶效应 碳水化合物碳水化合物，有丰富的羟基有丰富的羟基（）、（）、（）
16、等极性基团等极性基团， 在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有 极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠 在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有 极强的疏水性，洒在叶面上的水会自动聚集成水珠，水珠 的滚动把落在叶上的污粘滚出叶的滚动把落在叶上的污粘滚出叶使叶使叶的滚动把落在叶的滚动把落在叶面面上的上的尘土尘土污污泥泥粘粘吸吸滚出叶滚出叶面面，使叶使叶面始 终保持干净，这就是著名的”荷叶自洁效应”。 面始 终保持干净，这就是著名的”荷叶自洁效应”。 为什么会有这种”荷叶效应”？为什么会有这种”荷叶效应”？ 12 5.2 纳米仿生材料纳米仿生材料 在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级 1. 荷叶效应荷叶效应 在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级 的超微结构。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到， 荷叶表面上有许多微
