智能高分子材料與仿生化

1、第六章智能(zh nn)高分子材料與仿生化共四十七頁 緒論 智能仿生材料 天然生物(shngw)材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生 生物體的表面性能及其仿生納米 界面材料主要(zhyo)內(nèi)容共四十七頁長頸鹿螢火蟲烏龜蒼蠅蝴蝶甲蟲(jichng)蝙蝠冷光一次可拍1329張的照相機二元化武器(wq)雷達宇航員的失重現(xiàn)象薄殼建筑物迷彩服仿生模仿生物的某些結(jié)構(gòu)和功能來發(fā)明創(chuàng)造各種儀器設(shè)備，這就是仿生。6.1 仿生學(xué)概述共四十七頁仿生學(xué)(Bionics)：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、 原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)(jsh)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)(jsh)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)，簡而言之，仿生學(xué)就是“模仿

2、生物的科學(xué)”。仿生學(xué)是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門邊緣科學(xué)。共四十七頁迷彩服就是仿生斑馬(bnm)的條紋而制造的共四十七頁仿生蝙蝠(bin f)造出了雷達共四十七頁長頸鹿的血液(xuy)循環(huán)系統(tǒng)為人類的載人航天事業(yè)起到了至關(guān)重要的作用共四十七頁蛋殼(dn k)型的建筑共四十七頁水母的順風(fēng)耳，仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，能提前15小時對風(fēng)暴作出預(yù)報，對航海(hnghi)和漁業(yè)的安全都有重要意義。 共四十七頁寶馬H2R氫燃料(rnlio)汽車外型和設(shè)計的靈感來自海豚、企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其

3、0.21的阻力系數(shù)。同樣，尺寸龐大的寶馬7系得益于其流線造型，阻力系數(shù)也僅為0.29。 共四十七頁美國研發(fā)出一款舉世無雙的“海豚潛艇”，它不僅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一樣時而潛入水中，時而躍出水面(shu min)做出驚險刺激的翻騰動作。共四十七頁仿生材料（Bio-inspired）： 受生物啟發(fā)或者(huzh)模擬生物的各種特性而開發(fā)的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿生物體中形成材料的過程和加工制備仿生、模仿生物體系統(tǒng)功能的功能仿生。6.2 智能(zh nn)仿生材料共四十七頁 從仿生學(xué)的觀點出發(fā)，仿生智能材料應(yīng)具有或部分(b fen)具有下

4、列生物功能：(1)有反饋功能，能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)的輸入和輸出信息進行比較(bjio)，并將解結(jié)果提供給控制系統(tǒng)；(2)有信息積累和識別功能，能積累信息，能識別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進行分析和解釋；(3)有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能，能通過對過去經(jīng)驗的收集，對外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當(dāng)?shù)男袆?；共四十七?5)有自修復(fù)功能，能通過自生長或原位復(fù)合等再生機制，來修補(xib)某些局部破損；(7)有自動動態(tài)平衡及自適應(yīng)功能(gngnng)，能根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式對環(huán)境作出響應(yīng)。(6)有自診斷功能，能對現(xiàn)在和

5、過去的情況作比較，從而能對諸如故障及判斷失誤等問題進行自診斷和校正；(4)有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時地動態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出響應(yīng)；共四十七頁例：昆蟲復(fù)眼感光膜的視覺神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)（由緊密(jnm)排列的柱狀的微絨毛構(gòu)成，絨毛的長度約1-2um、直徑約60nm)；應(yīng)用復(fù)眼機制，可制造出極薄的感知器。生命體中特殊(tsh)機能的智能化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。共四十七頁存活了3億年(y nin)的昆蟲-蟑螂從感知風(fēng)速到逃跑(topo)只需0.044秒，人類需要0.3秒尾肢可對秒數(shù)2公分的風(fēng)做出反應(yīng)可做微流速感知器共四十七頁昆蟲的觸角可感知區(qū)區(qū)1個分子，并找出數(shù)公里外的氣味源模仿(mfng)

6、家蠶蛾的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出氣味源探測器共四十七頁六角形組成的的蜂巢結(jié)構(gòu)(jigu)，既輕又堅固日本新干線車廂采用鋁蜂巢結(jié)構(gòu)此結(jié)構(gòu)也用于機翼上共四十七頁鯊魚皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀突起，這些突起在水中具有整流效果，可以減少(jinsho)水的阻力，從而使鯊魚在水中能夠快速前進。 共四十七頁能量重組：人們對螢火蟲的發(fā)光機制作了研究,其發(fā)光原因是由于化學(xué)能高效率地轉(zhuǎn)化為光能。雖然人類在化學(xué)領(lǐng)域中已體驗了遺傳信息的鑰匙- 核酸的魅力,在試管中實現(xiàn)其功能的研究也取得了很大的進步,但是像螢火蟲的這種能量變換方法目前人類還做不到。隨著地球上現(xiàn)在所使用的能源逐漸枯竭(kji),人類尋求新能源的任務(wù)已迫在眉

7、睫,如果能夠找到象某些生物那樣能夠高效率地進行能量變換或者能量重組的材料與方法,將為人類的未來帶來希望和光明。 螢火蟲的發(fā)光，簡單來說，是熒光素（在藍光或紫外線照射下，發(fā)出綠色熒光的一種(y zhn)黃色染料 ）在催化下發(fā)生的一連串復(fù)雜生化反應(yīng)；而光即是這個過程中所釋放的能量。 共四十七頁超能吸水：我們常見的西瓜是一種含水量極高的水果,在它的啟發(fā)下,人們研制了一種與西瓜纖維素構(gòu)造相似的超吸水性樹脂,它是用特殊設(shè)計的高分子材料制造的,能夠吸收超越自身重量數(shù)百倍到數(shù)千倍的水份,現(xiàn)在已用于廢油的回收,既經(jīng)濟又高效。這種材料如果進一步得到完善的話,將來液體的包裝和輸送就可能用一種全新的技術(shù)來代替。比如

8、,將來的飲料就不再(b zi)是用現(xiàn)在的杯子來裝,而是只要用一片薄膜即可 。又叫水瓜，寒瓜,夏瓜，因在漢代從西域引入，故稱“西瓜”。西瓜味道(wi dao)甘甜多汁，清爽解渴，是盛夏的佳果，既能祛暑熱煩渴，因此有“天然的白虎湯”之稱。西瓜除不含脂肪和膽固醇外，幾乎含有人體所需的各種營養(yǎng)成分，是一種富有營養(yǎng),純凈，食用安全的食品。 共四十七頁仿生空心結(jié)構(gòu)材料：自然界中很多生物都是采用多通道的超細管狀結(jié)構(gòu)，例如許多植物的莖都是中空的多通道微米管，使其在保證足夠強度的前提(qint)下可以有效節(jié)約原料及輸運水分和養(yǎng)料，為減輕重量以及保溫，鳥類的羽毛也具有多通道管狀結(jié)構(gòu)，許多極低動物的皮毛具有多通道或

9、者多空腔的微/納米管狀結(jié)構(gòu)，具有卓越的隔熱性能。共四十七頁蜘蛛絲結(jié)構(gòu)：直徑約為幾個微米（人發(fā)約為100微米），是由一些原纖的纖維束組成，原纖是幾個厚度為納米級的微原纖的集合體，微原纖是由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成的高分子化合物。仿生強韌纖維材料：蜘蛛絲經(jīng)過四億年(y nin)的進化，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，是世界上最強韌的材料之一，天然蜘蛛絲其抗拉強度超過了人類自制的鋼和凱夫拉（根據(jù)科學(xué)家計算，一束鉛筆粗細的蜘蛛絲可以使一架正在飛行中的波音747飛機停下來。 共四十七頁6.3 天然(tinrn)生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生一、貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生貝殼的成分主要是碳酸鈣和少量的殼基質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)是由

10、外套膜上皮細胞分泌(fnm)形成的。貝殼的結(jié)構(gòu)一般可分為3層：最外一層為角質(zhì)層，很薄，透明，有光澤，由殼基質(zhì)構(gòu)成，不受酸堿的侵蝕，可保護貝殼。中間一層為殼層，又稱棱柱層，占貝殼的大部分，由極細的棱柱狀的方解石（CaCO3, 三方晶系）構(gòu)成。最內(nèi)一層為殼底,即珍珠質(zhì)層，富光澤，由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成、成層排列，組成成分是多角片型的文石結(jié)晶體（CaCO3, 斜方晶系）。 共四十七頁貝殼和珍珠(zhnzh)在斷裂前能經(jīng)受較大的塑性變形，具有優(yōu)異的高韌性。其主要原因是由于裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維（晶片）拔出以及有機基質(zhì)橋接等各種韌化機制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化機制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼

11、是的強、韌的最佳配合,它又被稱為(chn wi)摔不壞的陶瓷。針對珍珠層特有的生物特征，清華大學(xué)模仿珍珠層的兩級增韌機制，設(shè)計制備出仿珍珠層的具有較高強度和韌性的復(fù)合陶瓷。共四十七頁二、骨骼的分級結(jié)構(gòu)與仿生松質(zhì)骨和密質(zhì)骨例：長骨 兩端(lin dun)骨骺（松質(zhì)骨） 中間骨干（密質(zhì)骨）骨的主要有機相：膠原纖維（三股螺旋結(jié)構(gòu)）松質(zhì)骨，羥基磷灰石+膠原基體 密質(zhì)骨，薄層膠原纖維+礦物晶體長骨(chngg)的分級結(jié)構(gòu)示意圖共四十七頁 仿骨啞鈴型晶須研制 動物的長骨，其構(gòu)造特點為中部細長，骨質(zhì)致密；兩端粗大，骨質(zhì)疏松。 凡是(fnsh)骨骼中應(yīng)力大的區(qū)域也正好是強度高的區(qū)域。 長骨兩端粗大，一方面在受

12、壓時減緩壓應(yīng)力的沖擊，另一方面在與肌肉組織的協(xié)調(diào)配合上，粗大的端部有利于應(yīng)力傳遞，更有效地發(fā)揮骨質(zhì)致密的中段骨頭的承力作用。這種骨頭與肌肉的有效配合，使得肢體的比強度和持重比提高。 啞鈴(ylng)型晶須及其制備方法共四十七頁三、仿生自愈合材料生物愈合過程是有一些共性的。（1）愈合過程是由損傷而引起的，在生命機能沒有受到致命傷害(shnghi)的情況下，損傷是啟動愈合機制的最基本條件；（2）在愈合初期，損傷逐漸被由損傷刺激而產(chǎn)生的增生組織所填充；（3）通過機體的輸運、化學(xué)反應(yīng)，填充在損傷部位的物質(zhì)(如薄壁組織、凝塊等)發(fā)生變化，強度提高，構(gòu)成與周圍組織的有效連接；（4）愈合過程需要一定的物質(zhì)及

13、能量供應(yīng)，以產(chǎn)生填充損傷的組織，而向損傷處世行物質(zhì)供應(yīng)的輸運過程都有液相的參與；（5）生物的愈合是使損傷處的有效連接恢復(fù)。共四十七頁受生物體損傷自動愈合的啟發(fā)， White組研究并報道了一種具有自動修復(fù)裂紋能力的聚合(jh)物材料。這種材料嵌有內(nèi)裝修復(fù)劑的微膠囊，每個微膠囊約有頭發(fā)絲寬，這些微膠囊遇到裂紋入侵時破裂，并通過毛細作用釋放修復(fù)劑到裂紋面，修復(fù)劑接觸預(yù)先埋入環(huán)氧基體的催化劑而引發(fā)聚合(jh)，鍵合裂紋面。這種損傷誘導(dǎo)的引發(fā)聚合(jh)使得裂紋修復(fù)實現(xiàn)了就地自動控制共四十七頁四、竹木結(jié)構(gòu)及其仿生木纖維細胞壁構(gòu)成(guchng)：短鏈高分子半纖維素締結(jié)物質(zhì)+纖維素集束成微纖絲的骨架物質(zhì)+

14、塊狀高分子木素硬化物質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)：類似混凝土，有強度又有韌性木纖維微觀(wigun)結(jié)構(gòu)示意圖仿竹木結(jié)構(gòu)的纖維獨石結(jié)構(gòu)陶瓷材料 共四十七頁6.4 生物體的表面性能及其仿生 納米(n m)界面材料1、粗糙結(jié)構(gòu)(jigu)荷葉效應(yīng)共四十七頁荷葉粗糙表面上有微米結(jié)構(gòu)的乳突，平均直徑(zhjng)為5-9um，單個乳突又是由平均直徑約為124.3nm的納米結(jié)構(gòu)分支組成，乳突之間的表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)。微米-納米的分級(fn j)復(fù)合結(jié)構(gòu)共四十七頁單一微米或納米(n m)結(jié)構(gòu)示意圖（上）微米-納米的分級復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（下）由于微、納米結(jié)構(gòu)(jigu)并存，大量空氣儲存在這些微小的凹凸之間，水珠只與荷葉表面

15、乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相接觸。在荷葉表面微米結(jié)構(gòu)的乳突上還存在納米結(jié)構(gòu)，這種微米結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)是引起表面超疏水的根本原因，而且，如此所產(chǎn)生的超疏水表面具有較大的接觸角及較小的滾動角。另外，在荷葉的下一層表面同樣可以發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)，它可以有效的阻止荷葉的下層被潤濕。 共四十七頁2、表面(biomin)各向異性水稻葉表面存在類似于荷葉表面微/納米結(jié)合的階層結(jié)構(gòu)，但在水稻葉表面，乳突沿平行于葉邊緣的方向排列有序，而沿著垂直方向呈無序的任意排列，水滴在這兩個(lin )方向的滾動角也不相同，其中沿平行方向為3-5，垂直方向為9-15。 共四十七頁類水稻(shudo)葉表面碳納米管薄膜共四

16、十七頁蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個鱗片上分布(fnb)有排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，每條帶由傾斜的周期性片層堆積而成。3. 昆蟲翅膀表面(biomin)的自清潔性共四十七頁RO不滾動(gndng)蝴蝶以身體(shnt)為中心軸向外發(fā)散方向（RO方向）傾斜，水滴易滾動；反向傾斜，水滴不能滾離；垂直RO的兩個方向，水滴不易滾離。共四十七頁在水面行走(xngzu)的昆蟲水黽水黽的腿能排開300倍于其身體體積的水量，它的一條腿能在水面(shu min)上支撐起15倍于身體的重量，它在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長度的距離。 水黽是利用其腿部特殊的微納米結(jié)構(gòu)，將空氣有效地吸附在這些同一取向的

17、微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性。 共四十七頁哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作成數(shù)艘郵票大小的“微型船”，然后通過硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船表面具備超疏水性。這種微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承載超過自身最大排水量50%以上的重量，甚至(shnzh)在其重載水線以上的部分處于水面以下時也不會沉沒。船表面的超疏水結(jié)構(gòu)可在船外表面形成“空氣墊”，改變了船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水直接打濕。 模仿水黽-新型超級(choj)浮力材料模仿水黽“水上漂”功夫的機器人 共四十七頁在墻壁(qingb

18、)上行走的動物壁虎 壁虎的每只腳底長著大約50萬根極細的剛毛（長100um)，剛毛末端又有約4001000根更細小的分支。 壁虎的腳底與物體表面之間的黏附力來自于剛毛與物體表面分子之間的“范德華力”的累積（范德華力是中性分子彼此距離很接近時，產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力）。 壁虎的腳抗灰塵能力的自清潔性發(fā)生(fshng)在整齊排列的剛毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底與吸引在單個或多個剛毛小分支上的灰塵粒子存在著不均勻性，從而導(dǎo)致表面的自清潔性。 壁虎腳在踩踏臟物之后，臟物的顆粒堆積在絨毛表面，而不是粘在絨毛上，因此在堆積到一定程度之后臟物顆粒在重力的作用下就會脫落。 共四十七頁仿生應(yīng)用(yngyn

19、g)-仿生壁虎腳 利用結(jié)構(gòu)可控的直立型碳納米管陣列制成（44）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直玻璃的表面上懸掛一瓶約650克的瓶裝可樂飲料；自吸附在垂直的砂紙(shzh)表面上懸掛一個金屬鋼圈。共四十七頁“壁虎機器人”具有粘性腳足，足底有數(shù)百萬個極其微小的毛發(fā)(由銳利的錐形人造(rnzo)光纖制成)?！罢诚x”通過模仿壁虎的奇特步法，包括其優(yōu)雅的腳趾卷曲，可以在玻璃墻、瓷磚或白色書寫板上以4厘米/秒的速度爬行。仿生壁虎(bh)膠帶-壁虎機器人共四十七頁4. 自然界中的結(jié)構(gòu)顏色自然界產(chǎn)生顏色的主要途徑是色素，但有些(yuxi)生物或礦物經(jīng)過進化卻選擇了結(jié)構(gòu)顏色。結(jié)構(gòu)顏色： 依靠自然光與波長尺度相似的微結(jié)構(gòu)的相互作用而產(chǎn)生顏色。靜態(tài)(jngti)色： 指那些在生長過程中形成的非隨意可控的顏色動態(tài)色： 指那些可隨周圍環(huán)境及條件變化的顏色 變色龍、烏賊、章魚等具有動態(tài)色具有結(jié)構(gòu)色及動態(tài)色的生物大都由光子晶體組成。共四十七頁蛋白石是由二氧化硅納米球(nano