第八章 生物的表界面

1管自生第八章生物表界面南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院二○一一年五月2

第八章生物表界面※生物世界為了適應(yīng)復(fù)雜的自然環(huán)境，表面形成了一套復(fù)雜的、多樣的、完善的系統(tǒng).

1）生物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)既可以使摩擦最小化，而在另一個(gè)極端又可以使摩擦最大化；2）對(duì)外界信息具有高靈敏感知性能3）對(duì)能量的利用具有高效性啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費(fèi)不到十分之一盎司的能量；

蝙蝠的回音定位使用促進(jìn)了雷達(dá)開發(fā)改進(jìn)；蓮花效應(yīng)有絕佳的抗污性和疏水性南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生31)生物表面與光學(xué)特性

A偽裝（擬態(tài)）B警戒色

C對(duì)光的調(diào)控2）生物表面與粘附特性

A自清潔效應(yīng)B超級(jí)潤(rùn)濕性能C摩擦減阻3）微結(jié)構(gòu)控制傳感與傳動(dòng)4）生物軟體材料(softmaterials)的超級(jí)功能奇妙的生物世界獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生4獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)

羅馬花椰菜：擁有黃金螺旋混沌圖案南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生5南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生6ResearchersattheMassachusettsInstituteofTechnology(MIT),US,havecopiedthestructureofabeetle'swingstomakesurfaceswithhydrophilic/superhydrophobicpatterning.Theartificialsurfacescouldhaveapplicationsinwaterharvesting,controlleddrugrelease,open-airmicrochanneldevicesandlabs-on-a-chip.NanostructuredsurfacemimicsNamibdesertbeetle8毛麗金龜數(shù)碼照片及其鞘翅表面微結(jié)構(gòu)圖(A)數(shù)碼照片；（B）、（C）和(D)不同放大倍數(shù)的SEM麗金龜鞘翅紫外-可見光-紅外反射圖譜南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生9

甲蟲的翼鎖裝置a)、b)擬步甲科昆蟲的后、側(cè)胸廓區(qū)的微刺c)、d)赤擬合盜的后、側(cè)胸廓區(qū)的微刺南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生10顯微鏡下的奇妙世界

昆蟲復(fù)眼這張掃描電子顯微照片的放大率達(dá)到了5653倍，顯示了不明昆蟲復(fù)眼的表面、露在外面的光感受器細(xì)胞、支持細(xì)胞、色素細(xì)胞，色素細(xì)胞構(gòu)成了復(fù)眼的六邊形單元(小眼)。蚊子的觸須這張掃描電子顯微照片顯示了“柄節(jié)”(scape)或蚊子左側(cè)觸須的第一個(gè)片斷，放大率為500倍。注意，位于觸須中央部位的是一個(gè)凹面，柄節(jié)的第二個(gè)片斷—莖梗在此與其他片斷相連。柄節(jié)周圍的葡萄外形的小眼是復(fù)眼的功能單元。南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生12蜻蜓頭部制動(dòng)系統(tǒng)蜻蜓的頭制動(dòng)系統(tǒng)a)頭-頸關(guān)節(jié)示意圖b)后頸部甲片側(cè)視圖c)頭部右側(cè)微刺區(qū)d)后頸甲片上背部的微刺e)后頸甲片上腹部的微刺f)頭后部、頭側(cè)及腦區(qū)域的微刺a-前方向d-后背方向head-頭jt-關(guān)節(jié)l-側(cè)向mfh-頭后表面的微刺區(qū)域ta-支撐三角南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生131)生物表面與光學(xué)特性A偽裝（擬態(tài)）；B警戒色；C對(duì)光的調(diào)控A偽裝CamouflageB毒蛙警戒色Aposematiccolor

圖1南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生14高超的動(dòng)物偽裝藝術(shù)奇特鳥類偽裝成樹皮趴在松樹皮上的蟬《美國(guó)國(guó)家地理》攝影記者拍到的這些高超的動(dòng)物偽裝技巧，令人感嘆生命之靈氣。你能看出這些有趣而高超的偽裝嗎？三只枯葉蟾蜍聚集在幾碼之內(nèi)，恍若從巴拿馬森林里消失了似的。164.設(shè)想與展望實(shí)拍變色龍用長(zhǎng)舌捕捉蟋蟀在澳大利亞墨爾本博物館，一只變色龍正用舌頭捕捉蟋蟀。變色龍為一種“善變”的樹棲爬行動(dòng)物，它能夠隨著周圍環(huán)境的變化改變自己的身體顏色以隱藏自己，是自然界中的偽裝高手。變色龍用長(zhǎng)舌捕食時(shí)動(dòng)作極快，每次只需1/25秒17水黽腿的掃描電鏡SEM照片，(b)無數(shù)細(xì)長(zhǎng)微剛毛，20μm，(c)單根剛毛上的精細(xì)螺旋狀的納米凹槽結(jié)構(gòu)，200

nmNature,2004水黽能在水面上支撐15倍于身體的重量

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生物界的材料、組織和器官表現(xiàn)出奇異的想象和完美的功能，很重要的原因就是其獨(dú)特的微納米梯度結(jié)構(gòu)，這是材料學(xué)家仿生的智慧源泉！198.1生物的表面摩擦和粘附系統(tǒng)

8.2昆蟲的摩擦裝置8.3抗粘附機(jī)制本章主要內(nèi)容20生物表面與基質(zhì)相互作用過程中，為了適應(yīng)運(yùn)動(dòng)而形成的一套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其中包括由纖維素、多聚糖、蛋白質(zhì)、脂肪酸、磷脂等組成的鉤、鎖或卡、夾、墊、吸盤等粘附結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表面具有微納米有序的微結(jié)構(gòu)組成，其通過負(fù)壓吸入、機(jī)械互鎖、毛細(xì)作用、分子粘附以及靜電作用，使其與表面作用達(dá)到最大或者最小。生物表面的粘附系統(tǒng)（掌握）

21增加摩擦的系統(tǒng)(1)植物表面復(fù)制機(jī)制

圖8-10藤蔓植物爬墻虎的“吸管”

a)連接在表面的粘附裝置b)“吸管”8.1生物的表面摩擦和粘附系統(tǒng)

22(2)蜥蜴墊的移動(dòng)粘附

蜥蜴(GeLko壁虎)腳上的剛毛，內(nèi)生表皮層上新剛毛形成的三個(gè)階段的示意圖a)最初階段b)中間階段c)最后階段次末端區(qū)CLO-外表皮產(chǎn)生的透明層OBI-內(nèi)表皮產(chǎn)生的表皮層TB-主要?jiǎng)偯K端亞區(qū)分微剛毛是角質(zhì)化表皮的衍生物，它們長(zhǎng)大約90微米，寬約為lO微米壁虎膠帶

(GeckoTape)圖一248.2昆蟲的摩擦裝置鱗翅目昆蟲足的末節(jié)、頭部制動(dòng)系統(tǒng)、鱗翅類蒼蠅的口器腱膜，以及蝴蝶和雙翼目蛾的甲膜，往往都有摩擦裝置昆蟲是表面動(dòng)物

表皮微觀結(jié)構(gòu)的作用空氣動(dòng)力學(xué)表面的作用b)清洗身體的作用c)發(fā)聲作用d)磨碎食物e)過濾裝置f)流體動(dòng)力學(xué)表面的作用g)空氣調(diào)節(jié)h)控溫i)體色251昆蟲附著裝置的原理

附著原理的八種基本類型a)鉤b)鎖或卡c)夾d)墊e)吸盤f)膨脹錨g)粘性分泌物h)摩擦262.蜻蜓頭部制動(dòng)系統(tǒng)蜻蜓的頭制動(dòng)系統(tǒng)a)頭-頸關(guān)節(jié)示意圖b)后頸部甲片側(cè)視圖c)頭部右側(cè)微刺區(qū)d)后頸甲片上背部的微刺e)后頸甲片上腹部的微刺f)頭后部、頭側(cè)及腦區(qū)域的微刺a-前方向d-后背方向head-頭jt-關(guān)節(jié)l-側(cè)向mfh-頭后表面的微刺區(qū)域ta-支撐三角27

甲蟲的翼鎖裝置a)、b)擬步甲科昆蟲的后、側(cè)胸廓區(qū)的微刺c)、d)赤擬合盜的后、側(cè)胸廓區(qū)的微刺28生物表面的抗粘附機(jī)制（掌握）1）大多數(shù)植物和有些動(dòng)物被疏水性表皮覆蓋疏水性表皮由聚酯基質(zhì)中的類脂構(gòu)成2）表皮表面經(jīng)常被細(xì)胞生長(zhǎng)物(毛狀體)、折痕所刻蝕或被蠟晶體覆蓋。疏水植物表面的粗糙度會(huì)降低潤(rùn)濕性，與相同組成的光滑表面相比，水滴的接觸角更大

3）污染植物表面的顆粒比那些疏水蠟更易濕潤(rùn)。污垢通常都停滯在表面結(jié)構(gòu)的末端，以至于顆粒和植物表面間真正的接觸面積很小。這些顆粒容易被表面滾下來的水滴除掉。由于顆粒和植物表面間的真實(shí)接觸面積較小，顆粒和水滴間的粘附將大于顆粒和植物表面間的粘附。4）在光滑植物表面，污染顆粒和表面間的真實(shí)接觸面積是足夠大，以至于顆粒不會(huì)粘附到滾下的水滴上南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生29圖5荷葉

一陣風(fēng)來碧浪翻，真珠零落難收拾珠明浮盤戲，酒漾流杯曄——雨中荷花宋·杜衍——玉井亭觀荷宋·楊萬里抗粘附特性30

圖3.21.荷葉的表面結(jié)構(gòu)：由微米級(jí)的乳突組成，乳突結(jié)構(gòu)又由納米級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成（見右圖）。該表面為超疏水特性31a)—c)疏水刻蝕植物表面的自凈效應(yīng)，在粗糙表面上，顆粒粘附在水滴上，然后被水滴從表面除掉d)-f)在光滑表面上，污染顆粒因滾下來的小水滴重新分布南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院管自生32仿生學(xué)行為仿生外形仿生結(jié)構(gòu)仿生仿生材料制備及研究方法簡(jiǎn)介33悉尼歌劇院仿貝殼建筑物

建筑功能六角形組成的的蜂巢結(jié)構(gòu)，既輕又堅(jiān)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(jī)翼上34分子結(jié)構(gòu)模板仿生材料仿生無機(jī)材料仿生高分子材料仿生納米晶金屬

生物組織模板DNA;蛋白質(zhì)；氨基酸等病毒、細(xì)菌、動(dòng)植物的器官（葉、枝干、腿、翅膀、羽毛等）

根據(jù)生物功能原理進(jìn)行仿生制備水熱合成法氣相沉積法Sol-gel法35Spidersenses傳感與傳動(dòng)蜘蛛網(wǎng)上的水珠原理仿生3637Structuresofdrycapturesilkofcribellatespidera,Low-magnificationenvironmentalSEMimageofperiodicpuffsandjointssurroundingtwomain-axisfibres.b,Magnifiedimageofpuffcomposedofcountlessnanofibrils.38a,EnvironmentalSEMimagesofperiodicspindle-knotslinkingwithslenderjoints.Theapexangleofspindle-knots(2β)isabout19°.Low-magnification(b)andzoomed(c)imagesshowthatthespindle-knotisrandomlyinterweavedbynanofibrils.d,e,Low-magnification(d)andhigh-magnification(e)imagesofthejoint,whichiscomposedofnanofibrilsalignedrelativelyparalleltothesilkaxis.39Artificialspidersilkthatmimicsthestructureandwatercollectioncapabilityofnaturalspidersilk.a,Opticalimageofspindle-knot/jointstructurewithperiodicityof394.6?±?16.1?μm.b–d,SEMimagesofaspindle-knot(b),astretchedporousstructureonthejoint(c)andarandomporousstructureonthespindle-knot(d).e–j,Directionalwatercollectiononartificialspidersilk.Whentheartificialspidersilkisinmistat0?s,tinywaterdropsrandomlycondenseontheartificialspidersilkat7.708?s(e),andthendirectionallymovefromjointtospindle-knotwiththevolumeincreasingfrom7.955?sto8.717?s(f–j).40生物組織模板仿生41Fig.3.3.Schematicdiagramofthevirus-enabledsynthesisandassemblyofnanowiresasnegativeelectrodematerialsforLiionbatteries.

Virus-enabledSythesisandAssemblyofNanowiresForLithiumIonBatteryElectrodes

AngelaM.BelcherSCIENCEVOL31212MAY2006以分子組織為模板制備仿生材料42Fig.3.4.CharacterizationofthehybridnanostructureofAunanoparticlesincorporatedintoCo3O4nanowiresBC43Fig3.5.Two-dimensionalassemblyofCo3O4nanowiresdrivenbyliquidcrystallineorderingoftheengineeredM13bacteriophageviruses.(AandB)Phase-modeatomicforcemicroscopeimageofmacroscopicallyorderedmonolayerofCo3O4-coatedviruses.Digitalcameraimageofaflexibleandtransparentfree-standingfilmof(LPEI/PAA)100.5onwhichCo3O4viralnanowiresareassembledintonanostructuredmonolayerwithdimensionsof10cmby4cm.(D)CapacityfortheassembledmonolayerofCo3O4nanowires/Licellattwodifferentchargingrates.44HydrothermalsynthesisofZnOhollowspheresusingsphero-bacteriumasbiotemplate

ZhouHanetal.MicroporousandMesoporousMaterialsxxx(2006)321–326Fig3.6.FESEMimagesof(a)originalBacteriatemplate,withtheinsetofhighermagnification.(b–d)Bacteria/ZnOcore-shellspheresobservedunderdifferentmagnifications.(e)ZnOhollowspheresa