PAGE7/NUMPAGES7自然界中的納米現(xiàn)象

自然界中的納米現(xiàn)象徐強(qiáng)2009-03-20

納米仿生材料

上次課的重點(diǎn)內(nèi)容

1．在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用（汽車）

2．在電子器件方面的應(yīng)用（DNA和量子計算機(jī)）3．在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用（催化劑）

4．在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用（人造細(xì)胞和靶向）5．在紡織品中的應(yīng)用（超雙疏技術(shù)）

6．在軍事上的應(yīng)用（隱身、微型、毀傷與防護(hù)）

主要內(nèi)容

1、引言

2、基本概念

3、納米仿生材料學(xué)的研究熱點(diǎn)

Nature

StealingIdeasfromNature

生命進(jìn)化已經(jīng)歷了35億年的歷史，而人類進(jìn)化只有500萬年的歷史。

模仿人類的創(chuàng)造固然重要，模仿自然更有無限的潛力和機(jī)會！

更有可能提升原始創(chuàng)新的能力！

JulianVincent.StealingIdeasfromNature.2002

StealingIdeasfromNature

在500萬年進(jìn)化過程中，人類不斷地模仿自然，提升生產(chǎn)能力。

仿生的領(lǐng)域和技術(shù)隨著時代的前進(jìn)而發(fā)展。許多影響人類文明進(jìn)程的重大發(fā)明都源于仿生學(xué)。

例如：模仿帶齒的草發(fā)明鋸子，模仿蜘蛛織網(wǎng)捕魚，模仿游魚制造木船，模仿飛鳥發(fā)明飛機(jī)??。

StealingIdeasfromNature

納米仿生材料

納米材料問世以后，仿生材料研究的熱點(diǎn)已開始轉(zhuǎn)向納米仿生材料，這是因為自然界動物的筋、牙齒、軟骨、皮、骨骼、昆蟲表皮等都是納米復(fù)合材料。

納米仿生材料學(xué)

仿生學(xué)概念

1960年美國人JackSteele創(chuàng)造了“仿生學(xué)”。

仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物系

統(tǒng)特征的科學(xué)。

“模仿生物的科學(xué)”

JackSteele.Bionics-symposium:livingprototypes-thekeytonewtechnology.1960

徐堅.中國化工學(xué)會.2006

仿生學(xué)的發(fā)展

(1)經(jīng)過35億年進(jìn)化的生物世界是技術(shù)創(chuàng)新不可替代、取之不盡的知識寶庫和學(xué)習(xí)源泉。

(2)仿生學(xué)是諸多學(xué)科的交叉，需要，尤其需要生命科學(xué)家和多學(xué)科技術(shù)科學(xué)專家的共同關(guān)注與參與。

(3)仿生科學(xué)有無止境的前沿，正向著微觀、系統(tǒng)、智能、精細(xì)、潔凈方向發(fā)展。

(4)重視并創(chuàng)新仿生學(xué)，是提升科學(xué)技術(shù)原始創(chuàng)新能力的一個重要方向。

路甬祥.科學(xué)中國人.2004

仿生材料學(xué)

仿生材料是指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而研制開發(fā)的材料。

仿生學(xué)在材料科學(xué)中的分支稱為仿生材料學(xué)，它是指從分子水平上研究生物材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)而研發(fā)出類似或優(yōu)于原生物材料的一門新興學(xué)科，是化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的交叉。

Problems

還不能大量制造(如蜘蛛絲…)

性能還不如生物體(如家蠶、蛾觸角…)

有些生物機(jī)制尚未能詳細(xì)了解(如光合作用…)

Problems

鮑魚殼斷口粉筆斷口CaCO3性能相差甚遠(yuǎn)

仿貝殼結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷

納米仿生材料學(xué)的研究熱點(diǎn)

TheLotus-Flower-Effect:Self-cleaningpropertythroughhydrophobicmicro-dots.

TheMoth-Eye-Effect:Thearttobeinvisiblethroughopticalnano-burls.

TheGecko-Foot-Effect:Stickingonthewallthroughelasticnano-hairs.

TheSand-Skink-Effect:Reductionoffrictionandwearthroughnano-thresholds.

TheDarkling-Beetle-Effect:Collectingdewthroughhydrophilic/hydrophobicmicro-spots.TheShark-Scale-Effect:Turbulencereductionthroughlongitudinalmicro-grooves.TheWaterStrider-Effect:Tokeepdrythroughmicro-hairswithnano-ridges.

Nano-patternsinnature

荷葉-納米丘

水黽-納米槽

擬步甲-納米包

飛蛾-納米瘤

納米釘

沙漠魚-納米階

TheSandfish-Effect

?TheSandfish

livesinthe

Saharadesert

.bionik.tu-berlin.de/institut

Sandfish?

Fishingrod

0s

?s

?s

Friction

Abrasion

Characteristicsofthesandfishscales

M.Zwanzig,IZM

8μm

sa

nd

flow

IngoRechenbergSaharaLab

GPS:

N31°-15‘–02“

W03°-59‘–13“

IngoRechenbergSaharaLab

2000,2002,

2003,2004

手動杠桿

樣品臺

量腳器

Simpleapparatustomeasurethedynamicfrictioncoefficientof

Sandflowismoving

Sandflowstops

20°

18°

Sandskink

Measurementoftheangleofslidingfriction

Sandfishscaleunderthe

electronmicroscope

8μm

Sa

nd

sflow

attheback

atthebelly

50nm?

scale

Sandflow

6μm

Sizecomparison

Grainofsanduponthethresholds

Slidingdirection

8μm

Sa

nd

sflow

50nm?

scale

lowfrictionandlowwear?

ReducethecontactareaGoodforsmallcontactfriction

Abrasionofthesandfishscales

Man-madethingssoongetbluntinthedesertwind!

Thesandskinkalwayslooksshiny

while

Theresistancetoabrasion

SandfishMagnification≈1000

Sandskink

ParallelEvolution

KenyanSandboa

SandskinkParallelEvolution

Sandskink

KenyanSandboa

TheGecko-Foot-Effect

Thewonderof/r