5材料仿生完整版本

第四節(jié)材料仿生1天然生物材料的特性與仿生2自然界的幾種生物體的表面性能

及其仿生納米界面材料3天然蜘蛛絲和蠶絲蛋白仿生材料4北極熊的皮毛的秘密以及蜘蛛的防水防塵1天然生物材料的結(jié)構(gòu)特征與仿生復(fù)合特性功能適應(yīng)性創(chuàng)傷愈合性多功能性天然生物材料的特性

人們從天然生物的研究中得到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼等，它們雖然具有簡(jiǎn)單的組成，但是通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予這些生物材料具有非常好的綜合性能。因此，在材料的設(shè)計(jì)和研究中，引入了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想

，通過“簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)”的精細(xì)組合，來實(shí)現(xiàn)材料的高韌性、抗破壞及使用可靠性特性。5生物材料的結(jié)構(gòu)特征分級(jí)結(jié)構(gòu)（頭發(fā)，木）納米結(jié)構(gòu)（荷葉，蝴蝶）膜結(jié)構(gòu)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)是由外套膜上皮細(xì)胞分泌形成的。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(hù)貝殼。中間一層為殼層，又稱棱柱層，占貝殼的大部分，由極細(xì)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）。

文石一、貝殼和珍珠的層狀疊片結(jié)構(gòu)與仿生

對(duì)貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)分析表明其并不是單純的層片結(jié)構(gòu)，而可以看成兩級(jí)尺度結(jié)構(gòu)的藕合。在珍珠層的一級(jí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)上，增強(qiáng)元文石薄片的面層與貝殼表面平行，具有(5~10)

m×(5~10)

m×(0.3~1.5)

m的典型尺寸，整個(gè)薄片在同一層面內(nèi)以小于15nm的有機(jī)物粘合，形成所謂硬層（即文石晶片層）。這些硬層再以厚約30nm的有機(jī)物粘合起來，形成軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)。有機(jī)基質(zhì)層對(duì)裂紋擴(kuò)展起到偏轉(zhuǎn)和橋接作用，使裂紋擴(kuò)展途徑。珍珠母是一種由有機(jī)基質(zhì)(包括多糖和蛋白質(zhì))為基體、文石晶片形成增強(qiáng)相的兩相相間的層狀復(fù)合材料。其微結(jié)構(gòu)是由一些小平板狀結(jié)構(gòu)的文石晶片單元平行累積而成，這些小平板板面平行于貝殼殼面，就像建筑物墻壁的磚塊一樣相互堆砌鑲嵌、成層排列，形成整個(gè)珍珠層。這就是在生物材料學(xué)和生物學(xué)界公認(rèn)的珍珠母著名的“磚-泥”式結(jié)構(gòu)，它也是令許多藝術(shù)家和建筑學(xué)家贊嘆不已的結(jié)構(gòu)。

珍珠層由文石晶體與有機(jī)基質(zhì)構(gòu)成。無機(jī)相占95％，有機(jī)基質(zhì)由三種生物大分子組成：（1）不可溶的多糖幾丁質(zhì)；（2）一種富甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白質(zhì)，具有反平行

折疊片結(jié)構(gòu)，其x射線衍射譜與絲纖維相似；（3）一種富天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白，同樣是

折疊結(jié)構(gòu)。生物礦化過程中，酸性蛋白質(zhì)對(duì)無機(jī)礦物的形成起至關(guān)重要的作用，其中的酸性側(cè)鏈與鈣離子有強(qiáng)烈的親合作用，從而成為礦物晶體的形成核心。這種文石晶片層與多糖及蛋白質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)層交替排列，組成三維結(jié)構(gòu)。有機(jī)層的厚度為30～50nm，這樣緊密排列而成的結(jié)構(gòu)極為規(guī)則。珍珠層中文石晶體與有機(jī)基質(zhì)疊層示意圖珍珠具有類似于貝殼珍珠層的疊片累積結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)模式與貝殼珍珠層的差別僅在于，在貝殼的珍珠層是沿貝殼的表面鋪排構(gòu)成層的，而珍珠中的珍珠層包圍核心鋪排成層。貝殼珍珠層之所以得名，是因?yàn)樗簿哂姓渲楣鉂伞?/p>

貝殼和珍珠在斷裂前能經(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(jī)基質(zhì)橋接等各種韌化機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。而這些韌化機(jī)制又與珍珠層的特殊組成、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。貝殼是的強(qiáng)、韌的最佳配合,它又被稱為摔不壞的陶瓷。貝殼的微觀結(jié)構(gòu)及珍珠層斷裂形貌陶瓷強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)單組成、復(fù)雜結(jié)構(gòu)；引入弱界面層；非均質(zhì)精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)珍珠層特有的生物特征，清華大學(xué)模仿珍珠層的兩級(jí)增韌機(jī)制，設(shè)計(jì)制備出仿珍珠層的具有較高強(qiáng)度和韌性的復(fù)合陶瓷。材料制備是將Si3N4粉、SiC晶須和添加劑混合后，軋制成薄片，模仿珍珠層中的文石晶片層，其中SiC晶須作為二級(jí)增韌元。以BN和Al2O3的混和漿料涂覆在軋膜片上，模仿珍珠層中的有機(jī)基質(zhì)層，涂層后的薄片在石墨模中疊塊，經(jīng)排膠后在N2氣氛下熱壓燒結(jié)成瓷。模仿珍珠層的結(jié)構(gòu)和增韌機(jī)理，采用兩級(jí)尺度的增韌結(jié)構(gòu)，可以在保持較高強(qiáng)度的前提下，較大幅度地提高材料的韌性。Si3N4／BN-Al2O3纖維獨(dú)石陶瓷材料裂紋擴(kuò)展路徑

裂紋沿結(jié)構(gòu)單元間的間隔層中發(fā)生階梯狀的偏轉(zhuǎn)和分叉的擴(kuò)展過程松質(zhì)骨和密質(zhì)骨例：長骨兩端骨骺（松質(zhì)骨）中間骨干（密質(zhì)骨）骨的主要有機(jī)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+礦物晶體二、骨骼的分級(jí)結(jié)構(gòu)與仿生

長骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖（一）仿骨啞鈴型晶須研制動(dòng)物的長骨，其構(gòu)造特點(diǎn)為中部細(xì)長，骨質(zhì)致密；兩端粗大，骨質(zhì)疏松。

凡是骨骼中應(yīng)力大的區(qū)域也正好是強(qiáng)度高的區(qū)域。長骨兩端粗大，一方面在受壓時(shí)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(qiáng)度和持重比提高。

若增強(qiáng)劑（短纖維）為兩端大的啞鈴型，則其填充的復(fù)合材料的強(qiáng)度比同樣材質(zhì)的平直纖維的大。例：SiC晶須啞鈴型晶須及其制備方法SiO2+C

另外，浙江大學(xué)胡巧玲等利用原位沉析法制備了可吸收殼聚糖羥基磷灰石復(fù)合的仿骨結(jié)構(gòu)的骨折內(nèi)固定材料。不僅外形為啞鈴形結(jié)構(gòu)，而且可降解吸收、釋放出酸根磷和鈣離子，彎曲強(qiáng)度為和模量均比人的自然骨高。胡巧玲等:原位沉析法制備殼聚糖棒材的研究.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2003（3）：528-531（二）醫(yī)用梯度材料生物骨是由約占60％～70％的磷鈣無機(jī)材料和30％～40％的有機(jī)材料組成的復(fù)合材料，無機(jī)材料和有機(jī)材料是按一定結(jié)構(gòu)方式復(fù)合起來的，具有以下一些特點(diǎn)：（1）具有生物活性，能進(jìn)行新陳代謝，具有生長與吸收的功能；（2）具有生物力學(xué)特征，材料的彈性模量適中；（3）材料具有梯度結(jié)構(gòu)，有機(jī)材料和無機(jī)材料在不同梯度層次其比例和結(jié)構(gòu)方式不相同。木纖維細(xì)胞壁構(gòu)成：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)+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(qiáng)度又有韌性三、竹木結(jié)構(gòu)及其仿生

細(xì)胞壁中的纖維分子聚合成束狀，稱微纖絲，在微纖絲之間填充著半纖維素和木質(zhì)素。細(xì)胞壁為—個(gè)典型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它可看作由相當(dāng)于鋼筋的微纖絲、石料的木質(zhì)素和水泥的半纖維素組成的類似于鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，既有強(qiáng)度，又有韌性。樹干的3個(gè)切面1—樹皮；2—木質(zhì)部；3—年輪；4—髓線；5—髓心原位沉析法：以殼聚糖膜作為模板，將殼聚糖酸溶液與凝固液隔離，調(diào)節(jié)膜內(nèi)外的pH值、堿濃度，通過滲透、梯度中和，殼聚糖分子在模板上原位沉積組裝仿木年輪層狀結(jié)構(gòu)的材料.四、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(jī)能沒有受到致命傷害的情況下，損傷是啟動(dòng)愈合機(jī)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(jī)體的輸運(yùn)、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(qiáng)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(yùn)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)。(一)利用液芯纖維修復(fù)聚合物材料自修復(fù)（self-repair）的概念是在埋入基體的液芯纖維于裂紋擴(kuò)展時(shí)釋放修復(fù)物質(zhì)治愈裂紋時(shí)引入的。Theillustrationoftherepairfibersfilledwithhealingagent.(a)Atwo-partcrosslinkingadhesive.Thetwofibersfilledwithdifferentcomponentsareplacedinaparallelposition;(b)Asinglecomponentadhesive趙小鵬等研究了環(huán)氧樹脂的自修復(fù)過程，作修復(fù)纖維用的玻璃細(xì)管內(nèi)裝填的是白乳膠。實(shí)驗(yàn)測(cè)得修復(fù)后環(huán)氧樹脂的平均強(qiáng)度已可達(dá)到原有強(qiáng)度的84％。楊紅等將灌注膠液的液芯光纖埋入到玻璃鋼復(fù)合材料中制成兼有自診斷和自修復(fù)功能的智能材料，測(cè)得其對(duì)拉伸能力的修復(fù)達(dá)到原始值的1/3，對(duì)壓縮達(dá)到2/3以上。（二）利用微膠囊修復(fù)受生物體損傷自動(dòng)愈合的啟發(fā)，White組研究并報(bào)道了一種具有自動(dòng)修復(fù)裂紋能力的聚合物材料。這種材料嵌有內(nèi)裝修復(fù)劑的微膠囊，每個(gè)微膠囊約有頭發(fā)絲寬，這些微膠囊遇到裂紋入侵時(shí)破裂，并通過毛細(xì)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，鍵合裂紋面。這種損傷誘導(dǎo)的引發(fā)聚合使得裂紋修復(fù)實(shí)現(xiàn)了就地自動(dòng)控制（site-specificautonomiccontrol）。Whiteetal.Nature,2001,409:794-797

沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種材料能恢復(fù)75％的強(qiáng)度，而且該方法有望適用于其它脆性材料，如硅酸鹽和玻璃。Self-repairefficiencyinanepoxypolymerobtainedbyfracturetoughnesstestingoftapereddouble-cantileverbeamspecimens.Theillustrationofself-repairmechanismwithmicroencapsulatedrepairagent.一、植物葉表面的自清潔性（1）粗糙結(jié)構(gòu)—荷葉效應(yīng)

2自然界的幾種生物體的表面性能及其仿生納米界面材料

荷葉粗糙表面上有微米結(jié)構(gòu)的乳突，平均直徑為5-9um，單個(gè)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(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)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(dòng)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。單一微米或納米結(jié)構(gòu)示意圖（上）微米-納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（下）由于微、納米結(jié)構(gòu)并存，大量空氣儲(chǔ)存在這些微小的凹凸之間，水珠只與荷葉表面乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相接觸。（2）表面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(gè)方向的滾動(dòng)角也不相同，其中沿平行方向?yàn)?-5°，垂直方向?yàn)?-15°

類水稻葉表面碳納米管薄膜蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(gè)鱗片上分布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。二、昆蟲翅膀表面的自清潔性RO不滾動(dòng)蝴蝶以身體為中心軸向外發(fā)散方向（RO方向）傾斜，水滴易滾動(dòng)；反向傾斜，水滴不能滾離；垂直RO的兩個(gè)方向，水滴不易滾離。三、在水面行走的昆蟲—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

水黽穩(wěn)定的水上運(yùn)動(dòng)特性是源于特殊的微/納米結(jié)構(gòu)和油脂的協(xié)同效應(yīng)

水黽腿部的微米剛毛與納米溝槽結(jié)構(gòu)電鏡照片水黽的腿部有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛（直徑3um），剛毛表面形成螺旋狀的納米溝槽結(jié)構(gòu)。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

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，甚至在其重載水線以上的部分處于水面以下時(shí)也不會(huì)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(jí)浮力材料

模仿水黽“水上漂”功夫的機(jī)器人

四、在墻壁上行走的動(dòng)物—壁虎壁虎的每只腳底長著大約50萬根極細(xì)的剛毛（長100um)，剛毛末端又有約400—1000根更細(xì)小的分支。微米級(jí)陣列剛毛單根剛毛單根剛毛末端的放大

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(shí)，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(gè)或多個(gè)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(huì)脫落。

仿生應(yīng)用----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（4×4）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表面上懸掛一個(gè)金屬鋼圈。五、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，但有些生物或礦物經(jīng)過進(jìn)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)色：

指那些在生長過程中形成的非隨意可控的顏色動(dòng)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(dòng)態(tài)色具有結(jié)構(gòu)色及動(dòng)態(tài)色的生物大都由光子晶體組成。光子晶體：指能夠影響光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)，這種影響類似于半導(dǎo)體晶體對(duì)于電子行為的影響。（是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。）光子晶體以各種形式存在于自然界中，科學(xué)界對(duì)它的研究已經(jīng)長達(dá)一百年。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，而是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲

（1）天然蛋白石

蝴蝶翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果。（2）色彩斑斕的蝴蝶翅膀20um10um仿蝴蝶結(jié)構(gòu)AhighermagnificationSEMimageofanaluminareplicatedscale,wherethereplicaexhibitsexactlythesamefinestructures.智能材料是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的一類新型復(fù)合材料。智能材料的研究在20世紀(jì)末得到了迅速發(fā)展，并對(duì)軍事、建筑、醫(yī)療、日常生活等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。六、具有特殊浸潤性的仿生智能納米界面材料智能材料需具備以下特征：(1)具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；(2)具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；(3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；(4)反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；(5)當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。液體對(duì)固體的潤濕是常見的界面現(xiàn)象。作為固體表面最基本的性質(zhì)，浸潤性不僅影響著自然界中生物體的種種生命活動(dòng)，而且在人類的日常生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。1、浸潤性的基礎(chǔ)理論表面自由能：恒溫恒壓下，液體或固體表面的分子與它們處于內(nèi)部時(shí)相比所具有的自由能過剩值。高能表面：每平方米幾百至幾千毫焦，如金屬及其氧化物、硫化物、無機(jī)鹽等低能表面：每平方米二十五至一百毫焦，如有機(jī)固體、聚合物等固體固液液固氣氣固液液固(2)浸漬潤濕(1)沾濕潤濕：一種流體從固體表面置換另一種流體的過程，最常見的是固體的氣固界面被液固界面所取代的過程。固固液液氣(3)鋪展or完全潤濕固體的表面自由能越大，越易被一些液體所潤濕。接觸角：固液界面的水平線與氣液界面在三相交點(diǎn)O的切線之間的夾角θ。

(沿氣液界面做切線，該切線與固體間的夾角）只適用于θ>=0的情況，不適用于鋪展情況習(xí)慣上將接觸角θ＝90°時(shí)定義為潤濕與否的標(biāo)準(zhǔn)。θ=180°為完全不潤濕；當(dāng)θ=0°為完全潤濕或鋪展浸潤性由表面結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)組成共同決定的。影響固體表面浸潤性的因素主要有兩個(gè)：一是表面自由能二是表面微觀結(jié)構(gòu)一般來說，接觸角θ小于90o的固體表面被定義為親水表面；接觸角θ大于90o的被定義為疏水表面。3、特殊浸潤性超親水、超疏水、超親油、超疏油是固體表面四個(gè)特殊的浸潤性。超疏水（油）表面的接觸角應(yīng)大于1500，滾動(dòng)角小于50；超親水（油）表面的接觸角應(yīng)小于100度。滾動(dòng)角：一定重量的液滴在一固體表面開始移動(dòng)所需的臨界傾斜角。

》僅通過表面化學(xué)組成很難獲得大于120的接觸角》有著階層結(jié)構(gòu)的表面能夠使任何材料構(gòu)成的表面變得不可潤濕，即在親水材料表面構(gòu)筑階層結(jié)構(gòu)也可能得到疏水表面粗糙結(jié)構(gòu)可使親水表面更親水，疏水表面更疏水。（超）疏水（油）表面方法：構(gòu)筑多元的微納階層結(jié)構(gòu)構(gòu)筑低能表面涂層3、超親水/超疏水智能響應(yīng)性表面（1）光響應(yīng)性表面例：在玻璃基底沉積TiO2薄膜,具有微納米級(jí)的復(fù)合結(jié)構(gòu),表面含大量的乳狀突起.經(jīng)辛基三甲氧基硅烷表面修飾后,靜態(tài)接觸角164度,滾動(dòng)角4度（2）三態(tài)浸潤性仿生智能開關(guān)表面

在基底上制備溫度響應(yīng)高分子的可逆開關(guān)；制備陣列氧化鋅納米棒，實(shí)現(xiàn)表面浸潤性由超疏水向超親水轉(zhuǎn)變；構(gòu)筑光開關(guān)的浸潤性和顏色雙重響應(yīng)的氧化鎢納米薄膜；溫度和pH值雙重刺激的超疏水與超親水可逆轉(zhuǎn)換聚合物薄膜

例：具有浸潤、變色雙功能的“光開關(guān)”氧化鎢薄膜

采用電化學(xué)沉積制備納米結(jié)構(gòu)的氧化鎢薄膜。該薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地實(shí)現(xiàn)了光致變色和光誘導(dǎo)浸潤/去浸潤兩種開關(guān)性質(zhì)的有效結(jié)合。

將DNA納米馬達(dá)固定在陣列微結(jié)構(gòu)的金基底上，構(gòu)筑了一個(gè)新穎的智能表面。通過酸堿刺激，在該表面上可以實(shí)現(xiàn)如圖所示的超親水、亞穩(wěn)的超疏水和穩(wěn)定的超疏水三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。這三種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于DNA的三種構(gòu)型折疊的四鏈結(jié)構(gòu)、伸展的單鏈結(jié)構(gòu)與剛性的雙鏈結(jié)構(gòu)。DNA三種構(gòu)象的變化使得所構(gòu)筑的表面頂部的化學(xué)功能團(tuán)也相應(yīng)地發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了表面浸潤性的轉(zhuǎn)變。

close時(shí)表現(xiàn)出亞穩(wěn)的超疏水性(微小的刺激會(huì)使超疏水性失去)．open時(shí)顯示出超親水性，locked時(shí)穩(wěn)定的超疏水性

IntelligentreversiblyswitchablesurfacedrivenbyDNAnanodevices.OligonucleotideXisthethiolatedstrand5’(SH)-TTTTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-(Bodipy493/503)-3’;thehydrophobicgroupBodipy493/503(greencircle)actsasthefunctionalpartandthei-motifstructurefunctionsasananodevice.ThecomplementarystrandY(5’-GTTAGTGTTAGTGTTAG-3’)isanonthiolatedstrandforformingduplexstructures.AtlowpH,theDNAadoptsani-motifconformation(stateI).RaisingthepHdestabilizesthei-motiftoproduceastretchedsingle-strandedstate(stateII)oraduplexstructure(stateIII,whenacomplementarystrandispresent).LoweringthepHinducesareverseconversionprocessfromstateIIorIIItostateI.天然蛋白生物材料，是一種由不同氨基酸單元(主要為丙氨酸和甘氨酸單元)組成的鏈段共聚物一、天然蜘蛛絲：“生物鋼”3天然蜘蛛絲和蠶絲蛋白仿生材料

天然蜘蛛絲具有軟段區(qū)域和硬段區(qū)域,即無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)形成的微相分離結(jié)構(gòu)。結(jié)晶相以納米晶的形式分散在無定形相中,拉伸時(shí)沿軸向取向。結(jié)構(gòu)決定性能視頻蜘蛛絲將一種側(cè)鏈帶叔胺基團(tuán)水溶性聚氨酯和聚丙烯酸溶液在玻璃片上通過自組裝形成雙分子層膜,然后層層疊壓,制備出具有從納米到微米尺度范圍多層次結(jié)構(gòu)的聚氨酯/聚丙烯酸(PU/PAA)納米復(fù)合材料.所制備的復(fù)合材料具有單一組分3倍的強(qiáng)度和韌性.(A)ExperimentalprocedureforconsolidationofPU/PAAfilms:(1)thefilmsareallowedtoswellinwater,(2)anynumberoffilmsarestackedtogetherintoasandwichstructuretoachieveconformaloverlap,(3)thestackisdriedat100℃undervacuumtoremoveanybubbles,(4)thedriedstackishotpressed,(5)finalconsolidatedstackisremovedfromthepress;(B)photographof100-bilayerPU/PAAfilmbeforeswelling;(C)photographof100×100bilayerfilmscombinedintoastackafterswellinganddrying;(D)photographofafinalhot-pressedstackfrom(C).二、蠶絲：“纖維皇后”

蠶絲由20多種氨基酸組成,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)層為絲素蛋白,外層被絲膠蛋白包覆。

蠶絲優(yōu)異的力學(xué)性能：沿纖維軸向既有較高的剛性和強(qiáng)度，又有較大的伸長率（達(dá)35%)。4北極熊的皮毛的秘密以及蜘蛛的防水防塵視頻1北極熊皮毛的秘密

視頻2蜘蛛的防水防塵811.塑料涂層(學(xué)習(xí)對(duì)象：鯊魚)細(xì)菌感染恐怕是最令醫(yī)院頭疼的一件事，無論醫(yī)生和護(hù)士洗手的頻率有多高，他們?nèi)圆粩鄬⒓?xì)菌和病毒從一個(gè)患者傳到另一個(gè)患者身上，盡管不是故意的。事實(shí)上，美國每年有多達(dá)10萬人死于他們?cè)卺t(yī)院感染的細(xì)菌疾病。但是，鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔——長達(dá)一億多年。如今，正是由于鯊魚這一特性，細(xì)菌感染可能會(huì)重蹈恐龍的覆轍——從地球上徹底消失。與其他大型海洋動(dòng)物不同，鯊魚身體不會(huì)積聚黏液、水藻和藤壺。這一現(xiàn)象給工程師托尼·布倫南(TonyBrennan)帶來了無窮靈感，在2003年最早了解到鯊魚的特性以后，他多年來一直在嘗試為美國海軍艦艇設(shè)計(jì)更能有效預(yù)防藤壺的涂層。在對(duì)鯊魚皮展開進(jìn)一步研究以后，他發(fā)現(xiàn)鯊魚整個(gè)身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲，就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地，而這樣一來，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細(xì)菌也就沒有了棲身之所。

一家叫Sharklet的公司對(duì)布倫南的研究很感興趣，開始探索如何用鯊魚皮開發(fā)一種排斥細(xì)菌的涂層材料。今天，該公司基于鯊魚皮開發(fā)出一種塑料涂層，目前正在醫(yī)院患者接觸頻率最高的一些地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如開關(guān)、監(jiān)控器和把手。迄今為止，這種技術(shù)看上去確實(shí)可以趕走細(xì)菌。Sharklet公司還有更宏偉的目標(biāo)：下一步是開發(fā)一種可以消除另一個(gè)常見感染源——尿液管——的塑料涂層。822.音波手杖(學(xué)習(xí)對(duì)象：蝙蝠)這聽上去就像一個(gè)糟糕玩笑的開頭：一位大腦專家、一位生物學(xué)家和一位工程師走進(jìn)了同一家餐廳。然而，這種事情確實(shí)發(fā)生在英國利茲大學(xué)，幾個(gè)不同領(lǐng)域的專家的突發(fā)奇想最終導(dǎo)致音波手杖(Ultracane)的問世：這是一種盲人用的手杖，在靠近物體時(shí)會(huì)振動(dòng)。這種手杖采用了回聲定位技術(shù)，而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統(tǒng)去感知周圍環(huán)境。音波手杖能以每秒6萬個(gè)的速度發(fā)送超聲波脈沖，并等待它們返回。當(dāng)一些超聲波脈沖回來的時(shí)間超過別的超聲波脈沖時(shí)，這表明附近有物體，引起手杖產(chǎn)生震動(dòng)。利用這種技術(shù)，音波手杖不僅可以“看到”地面物體，如垃圾桶和消防栓，還能感受到頭頂?shù)氖挛?，比如樹杈。由于音波手杖的信息輸出和反饋都不?huì)發(fā)出聲音，使用者依舊能聽到周圍發(fā)生的事情。盡管音波手杖并未出現(xiàn)顧客排隊(duì)購買的熱賣景象，但美國和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術(shù)，開發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。833.風(fēng)扇葉片(學(xué)習(xí)對(duì)象：駝背鯨)美國賓夕法尼亞大學(xué)西切斯特分校流體動(dòng)力學(xué)專家、海洋生物學(xué)家弗蘭克·費(fèi)什(FrankFish)教授表示，他從海洋深處找到了解決當(dāng)前世界能源危機(jī)的辦法。費(fèi)什注意到，駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務(wù)。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起，它們?cè)谒驴梢粤铞L魚輕松在海洋中游動(dòng)。但是，根據(jù)流體力學(xué)原則，這些隆起應(yīng)該會(huì)是鰭的累贅，但現(xiàn)實(shí)中卻幫助鯨魚游動(dòng)自如。于是，費(fèi)什決定對(duì)此展開調(diào)查。他將一個(gè)12英尺(約合3.65米)長的鰭狀肢模型放入風(fēng)洞，看它挑戰(zhàn)我們對(duì)物理學(xué)的理解。這些名為結(jié)節(jié)的隆起使得狀肢更符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。費(fèi)什發(fā)現(xiàn)，它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經(jīng)過的空氣分成鰭不同部分，就像是刷毛穿過空氣一樣。費(fèi)什的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在叫做“結(jié)節(jié)效應(yīng)”(tubercleeffect)，不僅能用于各種水下航行器，還應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)翼。

根據(jù)這項(xiàng)研究，費(fèi)什為風(fēng)扇設(shè)計(jì)出邊緣有隆起的葉片，令其空氣動(dòng)力學(xué)效率比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產(chǎn)這種葉片，不久將開始申請(qǐng)使用其節(jié)能技術(shù)，用以改善全世界工廠和辦公大樓的風(fēng)扇性能。費(fèi)什技術(shù)的更大用途則是用于風(fēng)能。他認(rèn)為，在風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片增加一些隆起，將使風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性變革，令風(fēng)力的價(jià)值比以前任何時(shí)候都重要。84無葉片的風(fēng)扇854.在水面行走的機(jī)器人(學(xué)習(xí)對(duì)象：蛇怪蜥蜴)蛇怪蜥蜴(basilisklizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”(JesusChristlizard)，這種稱呼還是有一定道理的，因?yàn)樗茉谒献?。很多昆蟲具有類似本領(lǐng)，但它們一般身輕如燕，不會(huì)打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”，是因?yàn)樗芤院线m的角度擺動(dòng)兩條腿，令身體向上挺、向前沖。2003年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)教授梅廷·斯蒂(MetinSitti)正從事這方面的教學(xué)工作，重點(diǎn)是研究自然界存在的機(jī)械力學(xué)。當(dāng)他在課堂以蛇怪蜥蜴作為奇特的生物力學(xué)案例時(shí)，他深受啟發(fā)，決定嘗試制造一個(gè)具有相同本領(lǐng)的機(jī)器人。

這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)的重量不僅要足夠的輕，腿部還必須一次次地與水面保持完美接觸。經(jīng)過幾個(gè)月的努力，斯蒂和他的學(xué)生終于造出第一個(gè)能在水面行走的機(jī)器人。盡管如此，斯蒂的設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步完善。這個(gè)機(jī)械裝置偶爾會(huì)翻滾，沉入水中。在他克服了重重障礙以后，一種能在陸地和水面奔跑的機(jī)器人便可能見到光明的未來。我們或許可以用它去監(jiān)測(cè)水庫中的水質(zhì)，甚至在洪水期間幫助營救災(zāi)民。865.太陽能電池板(學(xué)習(xí)對(duì)象