淺談仿生納米界面材料.doc

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1、淺談仿生納米界面材料班級：電氣03學(xué)號：2010041068姓名：朱兆芳摘要：本文通過對仿生納米界面材料的起源的描述，具體闡述了生物界的荷葉效應(yīng)的特異性能，影響因素，論述了科學(xué)家對此研究的理論成果。描述了目前研究人員制備仿生納米界面的幾種方法，及其可能應(yīng)用。同時介紹了目前仿生納米材料的一些研究成果，并展望了未來納米界面材料對于人類生活可能帶來的影響。關(guān)鍵詞：仿生納米界面材料超疏水超親水鷹擊長空，魚翔淺底，雨打碧荷，花開深叢，經(jīng)過數(shù)萬年的進(jìn)化，萬物經(jīng)過自然苛刻的考驗，而獲得了今天獨特的性能，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們開始不斷地師法自

2、然，師法萬物，探索其中的奧秘，應(yīng)用其中的原理造福人類，仿生納米材料的研究亦應(yīng)運而生。各個生物都有自己獨特的性能，而擁有這種獨特性能的奧秘往往在于生物體材料的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成，通過研究材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲悉其原理，并按照此原理制造一些材料使之具有生物的某種特殊特性，這就是仿生納米材料的研究方法。而對于仿生納米材料的研究方式也同樣如此，科學(xué)家們對此進(jìn)行了大量的研究，從中也收獲頗豐。仿生納米界面材料的研究最初源于荷葉效應(yīng)，荷葉具有特異的性能，表現(xiàn)出它具有超疏水性，即水在該表面的接觸角很大，而滾動角很小，而且具有很強(qiáng)的抗污染能力，在很多植物甚

3、至動物身上也發(fā)現(xiàn)了這種類似的特性。那么是什么性能使它具有如此特異的性能呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，荷葉表面具有微米結(jié)構(gòu)的乳突，而且乳突上還具有納米結(jié)構(gòu)，荷葉表面還有植物蠟修飾，這種微米與納米相結(jié)合的結(jié)構(gòu)使得固，液界面形成氣膜，在蠟與水的不浸潤性的共同作用之下，使荷葉不被水浸潤。其他植物表面的絨毛結(jié)構(gòu)同樣可以達(dá)到相同的效果，其主要利用絨毛對水滴的支撐使得水滴不浸潤底部。而壁虎的腳同樣具有自清潔性能，而這種自清潔性能與荷葉相似，都是利用灰塵更易于粘在水滴或其基底上而不是粘在荷葉表面或壁虎的腳上。研究發(fā)現(xiàn)，超疏水性與表面張力，表面粗糙度有關(guān)。表

4、面自由能越大，接觸角越大，而粗糙度則會增強(qiáng)表面濕潤性，水滴在高接觸角與低滾動角的表面更容易滾動且?guī)ё呋覊m，即液滴在超疏水性固體表面具有高粘滯性?；谇懊娴睦碚摚瞥沙杷约{米材料，要先對生物表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿制，那么該如何制作超疏水性表面便成為關(guān)鍵的問題。根據(jù)超疏水性的影響因素，先要構(gòu)造材料的表面粗糙結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行表面修飾。荷葉具有超疏水性，但材料的浸潤性則大大擴(kuò)展，具有超疏水，超親水，超疏油，超親油四種特性，這是人們想到可以利用這四種性質(zhì)進(jìn)行多元組合，從而實現(xiàn)智能化的開關(guān)及分離材料的制備。要制得納米材料的超疏水表面，自然想到激光

5、或刻蝕法，比較簡單的方法是用飛秒激光照射硅的表面，從而使硅表面具有了微米納米的復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后用氟硅烷完成表面修飾。而溶劑非溶劑法同樣可以制得，可以將聚丙烯溶解于溶劑與非溶劑的混合溶液中，在基底上加數(shù)滴聚丙乙烯溶液，在一定溫度下聚丙乙烯蒸發(fā)，即可得凝膠狀的多空膠囊，最大接觸角可達(dá)160°。而等離子體法則更為廣泛的應(yīng)用于超疏水表面的制備。利用仿生智能納米界面材料的疏水性與疏油性來制備超雙疏表面，Badyal等人利用等離子體技術(shù)將疏水性的低表面能材料聚四氟乙烯處理為粗糙結(jié)構(gòu)，，然后在其上修飾含氟聚合物，從而得到雙疏的聚四氟乙烯表面，現(xiàn)

6、在已經(jīng)可以用碳納米管膜來制備表面經(jīng)氟硅烷修飾的雙疏的陣列碳納米管膜，其與水與油的接觸角分別可達(dá)171°與161°。超雙疏材料的應(yīng)用前景十分誘人，如果能夠做成超雙疏的紡織品，則未來我們的衣服就可以幾乎不用洗了，它會長時間保持潔凈。如果將它們應(yīng)用在鋼鐵等物體上，則可以防止其銹蝕，從而大大減小因鋼鐵銹蝕而帶來的經(jīng)濟(jì)損失。在不銹鋼基底上噴上聚四氟乙烯而制成的超疏水超親油性物質(zhì)則具有超疏水與超親油的特異性能，它可以實現(xiàn)油水的分離。如果此技術(shù)進(jìn)一步成熟的話，那么未來石油泄漏時，或許可以用油水分離網(wǎng)來實現(xiàn)石油的收集，從而避免了石油的浪費，海水

7、的污染以及海生生物的死亡。它的應(yīng)用當(dāng)然遠(yuǎn)不止如此。利用物體表面的親水性與親油性與外界環(huán)境相關(guān)，則可以制成智能化的開關(guān)。目前的應(yīng)用有利用表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法，在硅基底接枝溫度響應(yīng)性高分子薄膜，從而控制表面粗糙度，可以實現(xiàn)在窄的溫度范圍內(nèi)的超疏水與超親水性質(zhì)之間的變化，這種熱響應(yīng)性超疏水與超親水可逆的“開關(guān)”的溫度響應(yīng)性與表面修飾PNIPAAm薄膜有關(guān)，不同溫度下它的表面粗糙結(jié)構(gòu)不同，溫高時呈現(xiàn)親水性能，溫度低時呈現(xiàn)疏水性能。熱響應(yīng)性超親水/超疏水可逆開關(guān)的應(yīng)用必前程似錦，比如可以利用溫度的不同，對藥物進(jìn)行靶向釋放，從而殺

8、死希望被殺死的細(xì)胞，這樣大大提高了藥物的利用效率，而且使藥物對病人的副作用大大減小。近年來，仿生納米界面材料取得了不斷的進(jìn)展。但我發(fā)現(xiàn)，在植物表面的研究上，自清潔性能或許不只與表面結(jié)構(gòu)及表面修飾有關(guān)，而且與材料的構(gòu)型或許也息息相關(guān)。有些植物葉片具有特殊的構(gòu)型，不