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1、自然界中的纳米现象 自然界中的纳米现象徐强2009-03-20 纳米仿生材料 上次课的重点内容 1在结构件领域的应用（汽车） 2在电子器件方面的应用（DNA和量子计算机） 3在化学化工领域中的应用（催化剂） 4在生物医药领域的应用（人造细胞和靶向） 5在纺织品中的应用（超双疏技术） 6在军事上的应用（隐身、微型、毁伤与防护） 主要内容 1、引言 2、基本概念 3、纳米仿生材料学的研究热点 Nature Stealing Ideas from Nature 生命进化已经历了35亿年的历史，而人类进化只有500万年的历史。 模仿人类的创造固然重要，模仿自然更有无限的潜力和机会！ 更有可能提升原始创
2、新的能力！ Julian Vincent.Stealing Ideas from Nature. 2002 Stealing Ideas from Nature 在500 万年进化过程中，人类不断地模仿自然，提升生产能力。 仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。 例如：模仿带齿的草发明锯子，模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造木船，模仿飞鸟发明飞机?。 Stealing Ideas from Nature 纳米仿生材料 纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料，这是因为自然界动物的筋、牙齿、软骨、皮、骨骼、昆虫表皮等都是纳米复合材料。 纳
3、米仿生材料学 仿生学概念 1960年美国人Jack Steele创造了“仿生学”。 仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系 统特征的科学。 “模仿生物的科学” Jack Steele. Bionics-symposium: living prototypes-the key to new technology. 1960 徐坚. 中国化工学会. 2006 仿生学的发展 (1)经过35亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不尽的知识宝库和学习源泉。 (2)仿生学是诸多学科的交叉，需要，尤其需要生命科学家和多学科技术科学专家的共同关注与参与。 (3)仿生
4、科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展。 (4)重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。 路甬祥. 科学中国人. 2004 仿生材料学 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。 仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学，它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。 Problems 还不能大量制造(如蜘蛛丝) 性能还不如生物体(如家蚕、蛾触角) 有些生物机制尚未能详细了解(如光合作用) Problems 鲍鱼壳断口粉笔断口CaCO3性能相差甚
5、远 仿贝壳结构的层状结构陶瓷 纳米仿生材料学的研究热点 The Lotus-Flower-Effect: Self-cleaning property through hydrophobic micro-dots. The Moth-Eye-Effect: The art to be invisible through optical nano-burls. The Gecko-Foot-Effect:Sticking on the wall through elastic nano-hairs. The Sand-Skink-Effect:Reduction of friction and
6、wear through nano-thresholds. The Darkling-Beetle-Effect:Collecting dew through hydrophilic/hydrophobic micro-spots. The Shark-Scale-Effect:Turbulence reduction through longitudinal micro-grooves. The Water Strider-Effect:To keep dry through micro-hairs with nano-ridges. Nano-patterns in nature 荷叶-纳
7、米丘 水黾-纳米槽 拟步甲-纳米包 飞蛾-纳米瘤 纳米钉 沙漠鱼-纳米阶 The Sandfish-Effect ?The Sandfish lives in the Sahara desert .bionik.tu-berlin.de/institut Sandfish ? Fishing rod 0 s ?s ?s Friction Abrasion Characteristics of the sandfish scales M. Zwanzig, IZM 8m s a n d f l o w Ingo Rechenberg Sahara Lab GPS: N 31-1502“ W 03
8、-5913“ Ingo Rechenberg Sahara Lab 2000, 2002, 2003, 2004 手动杠杆 样品台 量脚器 Simple apparatus to measure the dynamic friction coefficient of Sand flow is moving Sand flow stops 20 18 Sandskink Measurement of the angle of sliding friction Sandfish scale under the electron microscope 8m S a n d s f l o w at
9、the back at the belly 50nm? scale Sand flow 6m Size comparison Grain of sand upon the thresholds S l i d i n g d i r e c t i o n 8m S a n d s f l o w 50nm? scale low friction and low wear? Reduce the contact area Good for small contact friction Abrasion of the sandfish scales Man-made things soon ge
10、t blunt in the desert wind ! The sandskink always looks shiny while The resistance to abrasion Sandfish Magnification 1000 Sandskink Parallel Evolution Kenyan Sandboa Sandskink Parallel Evolution Sands k ink Kenyan Sandboa The Gecko-Foot-Effect The wonder of the Gecko toes K. Autumn. Nature. 2000 Gecko-Tape Gecko Tape 存在的问题 只能在干燥表面使用，一旦进入水中，壁虎足底的粘性会骤然下降。 如何解决? Geckel Geckel P. Messersmith . Nature. 2007 PMMA-聚甲基丙烯酸甲酯PDMS-聚二甲基硅氧烷 Geckel THE END 7 / 7
