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1、仿生智能納米界面材料概述專題二1.仿生智能納米界面材料的設(shè)計思想1.1生物啟發(fā)的理念生命中與智能相關(guān)的科學(xué)問題無處不在，參與的生物體的器官也遍及全身。在生物體中，對外界刺激的響應(yīng)及各種生命過程的實現(xiàn)都是基于生物大分子內(nèi)或分子間相互作用的改變。a.嗅覺b.視覺c.聽覺生命體中特殊機能的智能化大多與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，向自然學(xué)習(xí)，就是認(rèn)識和模擬生物體特殊的微觀結(jié)構(gòu)與其優(yōu)異性能的關(guān)系1.2.自然界中的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的統(tǒng)一1.2.1特殊的表面性能1.2.2生物體的結(jié)構(gòu)顏色1.2.3完美的生物礦化材料1.2.4.先進的光學(xué)系統(tǒng)1.3.1天然生
2、物材料的多尺度結(jié)構(gòu)許多具有突出力學(xué)性能的天然生物材料都具有不同尺度的自組裝多級結(jié)構(gòu)。如骨骼的精巧的多尺度分級結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能。1.結(jié)構(gòu)上的多尺度，即膠原質(zhì)分子由鈣化的無機物顆粒聯(lián)結(jié)首尾構(gòu)成膠原纖維，膠原纖維之間由界面聚合物構(gòu)成的纖維間基質(zhì)；2.形變時多尺度的響應(yīng)，表現(xiàn)為礦物質(zhì)化纖維中的無機物顆粒尺度越小，其強度越大；由聚合物組成的纖維間基質(zhì)使纖維間可切向位移，增加骨骼的韌性。1.3.多尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和特性材料體系的分子結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、微米結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的多尺度效應(yīng)是形成材料新功能的內(nèi)在本質(zhì)。分子結(jié)構(gòu)的多樣性決定了材料千變?nèi)f化的
3、功能和性質(zhì)。納米結(jié)構(gòu)具有納米微粒的特性，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等，又存在由納米結(jié)構(gòu)組合引起的新的效應(yīng)，如量子耦合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)等，所以，納米結(jié)構(gòu)很容易通過外場（光、電、磁）實現(xiàn)對其性能的控制?？傊牧象w系的設(shè)計，不局限于塊狀材料，從分子、分子簇拓展到納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)，使材料本身在宏觀上產(chǎn)生奇異的物性。2.自然界中具有特殊表面性能的生物體2.1粗糙結(jié)構(gòu)-----荷葉效應(yīng)植物葉表面的自清潔效果引起了廣泛關(guān)注，其中以荷葉為典型代表，因此稱為荷葉效應(yīng)（lotuseffect）。1997年，德國波昂大學(xué)的植物學(xué)家Barthlo
4、tt和Neihuis針對這一現(xiàn)象進行了研究。發(fā)現(xiàn)自清潔特征是由粗糙表面上微米結(jié)構(gòu)的突起以及表面疏水蠟質(zhì)物質(zhì)的存在共同引起的。自清潔表面表現(xiàn)為：表面具有超疏水性；很強的抗污能力，表面灰塵可以被滾落的水滴帶走。從此以后，蓮花效應(yīng)就成了納米科技最具代表性的名詞。蓮葉的表面具有大小約5~15?m細(xì)微突起的表皮細(xì)胞；表皮細(xì)胞上又覆蓋著一層直徑約1nm疏水性的蠟質(zhì)結(jié)晶。在荷葉表面突起間的凹陷部份充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉
5、面上突起的形成幾個接觸點。再加上葉片表面的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)的幫助，使水與葉面的接觸面積更小而接觸角變大。2.1.2荷葉的納微結(jié)構(gòu)的作用美國的兩位研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，若只考慮水滴或水珠，蓮葉確實呈現(xiàn)超疏水現(xiàn)象，一旦遇上凝結(jié)的水蒸氣，蓮葉卻反而呈現(xiàn)親水性。水蒸氣凝結(jié)成的水滴陷在葉面的納米微管間，隨著小水滴逐漸連接合并，最后會填滿葉面介于微米級突起物之間的凹處，因此對于落在葉面的外來水珠產(chǎn)生粘滯效果，使葉面展現(xiàn)親水性而非疏水性。由水滴與表面的接觸角作為其親、疏水性的判斷：接觸角<90°親水性(hydrophilic)表面，如θ1接觸角>90°斥水性(hy
6、drophobic)表面，如θ2θ2θ1θ22.1.1親水性、疏水性和自清潔概念以蓮葉為例，水珠與葉面接觸的面積大約只占總面積的2-3%，若將葉面傾斜，則水珠被迫以滾動方式運動。滾動時，會順利吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面，達到清潔的效果。同樣具有疏水性的光滑表面，水珠只會以滑動的方式移動，并不會夾帶灰塵離開，因此不具有自潔能力在自然界中，植物總是暴露在各種污染源當(dāng)中，例如灰塵、污泥，還有一些細(xì)菌、真菌等。蓮葉上復(fù)雜的納米與微米結(jié)構(gòu)除了有自潔的功能外，還可以防止受到細(xì)菌、病源體的感染，只要經(jīng)過一場大雨，就能煥然一新。目前蓮花效應(yīng)
7、的概念主要是應(yīng)用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學(xué)成分加入涂料、建材、衣料內(nèi)等，使其具有某些程度的自潔功能，以實現(xiàn)防塵的目的。2.1.3荷花效應(yīng)的應(yīng)用STO公司：表面涂刷Lotusan涂料的壁面與水珠接觸情形BASF公司：蓮花噴霧劑是一種由納米微粒及疏水性聚合物混合組成的鍍膜噴劑。Creavis公司：納米粒子覆蓋表面的產(chǎn)品。（US20030013795A1）2.2絨毛結(jié)構(gòu)-----彈性效應(yīng)自清潔性的另一種方式：表面覆蓋絨毛，例如斗篷草，能使水滴保持球形，并且隨意滾動。這種方式，不是單純利用表面的粗糙結(jié)構(gòu)，而是由于表面張力的
8、作用，使絨毛趨向于聚集成簇而導(dǎo)致絨毛的彎曲，從而聚集了彈性勢能。此時，水和空氣界面就會被絨毛卡住，依靠彈性阻止水滴向下潤濕表面。然而，這是一種動力學(xué)穩(wěn)定態(tài)。因為，因為絨毛本身是親水的，柔性的，在水的壓力比較大時依然會接觸
