仿生材料的奇妙应用

用途一：作为生物膜研究的模型
✓为什么要构建模型？ ✓如何构建模型？ ✓构建模型的意义是什么？
用途二：生物活性分子的分离膜
• 实现核心：相容性 • 举例：
磷脂改性高分子聚合膜可用于分离 蛋白质等生物活性物质
• 猜想：
如果将能够识别海洛因、吗啡等毒 品的磷脂分子引入分离膜中，用于 血液透析呢？
用途三：处理工业污水
• 以碳酸钙薄片为“砖”，以有机
介质为“泥”，形成多尺度、多 级次的“砖-泥”组装结构。一方 面，有机基质犹如水泥一样，碳 酸钙薄片牢牢的黏结在一起。另 一方面，这样的特殊结构可以有 效地分散施加于贝壳上的压力。
Ref：孙娜，吴俊涛，江雷，贝壳珍珠层及其仿生材料的研究进展，高等学校化学学报，2011年10月
Ref:马建峰, 陈五一, 赵岭，基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计 ，机械设计第 25卷第 12期 2008 年 12 月
• 有学者据竹子微观结构提出仿生纤维
模型如图，实验表明其压缩变形要比 普通纤维高3 倍以上。受其多层、渐 变概念的启发, 为纤维增强金属基复合 材料设计的多层梯度界面模型是过渡 层/ 阻挡层/ 润湿层, 碳纤维/A l复合材 料实验结果表明, 其高温强度比未仿生 的高出5 倍以上.
视频：http://v.youku.com/v_show/id_XOTA4OTUxNjU2.html
出淤泥而不染， 濯清涟而不妖。
--宋.周敦颐《爱莲说》
超疏水的荷叶和表面结构（a)球形的水滴滴在荷叶表面 （b)荷叶表面大面积的微结构（c)荷叶表面单个乳突 （d）荷叶表面的纳米结构
荷叶表面的扫描电镜照片，其表面微纳米的二级阶层结构
麦合木提
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仿生材料
仿生材料
蜘蛛丝 跳蚤节肢蛋白 壁虎纤维刚毛
麦合木提
实例 （性质+应用）
仿生材料
仿生材料
性质 应用
◇高比强度 ◇优异弹性 ◇超高韧性
材料
密度/GPa
蜘蛛丝 1.3
桑蚕丝 1.3
○航天 弹性蛋 1.3
白
○军事 尼龙
1.1
芳纶
1.4
钢 ○建7.8 筑
○医学 羊毛
1.3
碳纤维 1.8
聚合物
混凝土
Ref:Fracture-mechanics studies of crack healing and welding of polymers.J Mater Sci, 1981, 16: 204-210
Ref:NATURE | VOL 409 | 15 FEBRUARY 2001|794
强度/GPa 1.1 0.6 0.002 0.95 3.6 1.5 0.2 4
刚度/GPa 10 7 0.01 5 130 200 0.5 300
延展性/% 27 18 15 18 2.7 0.8 5 1.3
韧性/ MJm^-3 180 70 2 80 50 6 60 25
性质 应用
◇能量可迅速释放 ◇弹性最强的物质之一 ◇回弹效率高
受蜂窝的启示，蜂窝复合材料问世，它 是一种新型材料，它质轻、强度大、刚 度高，具有缓冲、隔热和隔音等功能， 被广泛应用于航空工业，建筑业、家具 制造、包装和运输业，具有较高的经济 价值，并可回收利用。同时可节约大量 的森林资源，保护和改善生态环境，是 一种符合21世纪发展主题的环保新型材 料。
Ref:关世伟，蜂窝结构材料，China Academic Journal Electronic Publishing House
陆昳睿
阿依布勒
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仿生材料
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徐可薇
仿生薄膜材料
仿生材料
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从生物膜谈起
✓生物膜的物质组成 ✓生物膜的结构 ✓生物膜的功能
生物膜的研究价值
——为什么要人工模拟生物膜？
长期进化 完美结构 独特功能
制备 研究
创新
仿生薄膜材料的应用
✓作为生物膜研究的模型 ✓作为生物活性分子的分离膜 ✓处理工业废水
1．在航天上的率先使用
从上世纪30年代最早的用于制造飞机的夹层结构的六角型铝蜂窝芯，到70 年代美国波音公司的Boeing747飞机率先使用非金属的蜂窝复合板作为飞机 的地板，到如今，蜂窝复合材料已在飞机、火箭及太空飞船等航空航天器 上得到广泛的使用。
2．应用于家具板材
传统的家具都是用木材制作的， 这样无疑会消耗巨大的木材资 源，导致资源日益减少，而以 蜂窝纸芯为基础的蜂窝结构板 的基础材料，在两面复合传统 的木质面层，从而减少木质材 料的使用量。
Ref:10 June 2007; doi:10.1038/nmat1934
外部供应 系统
封装
中空纤维
混凝土
膨胀剂矿 物质混合
细菌
微囊法
基体 Ca
记忆合金
树脂
Ref:Construction and Building Materials 28 (2012) 571–583
碱性硅 酸盐溶
液
Ca-Si 凝胶
非共价键
可逆共价键
多数自愈合凝胶都是通过非共 价键或可逆共价键来实现其自 愈合性能的。 从本质上来说, 可逆动态共价键 都属于动态建构化学。 (constitutional dynamic chemistry, CDC)
通过交联点的破坏和再形成而使应力得到释放
氢键相互作用、π-π堆叠、 阳离子-π相互作用、静电 相互作用等“ 聚电解质 效应“ 形成凝胶的三维 网络结构。
• 清华大学的学者依据竹材中微纤维别具特色的层次结构 ，提出仿生的纤维
双螺旋模型 ，实验表明其压缩变形功比普通纤维的提高 3 倍 ； 根据竹材外 密内疏的结构特性 ，有学者制备了 S i C包裹碳纤维的梯度基复合材料 ，发 现这种材料密度低 、 力学性能优良、 抗氧化功能突出 。
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特点：省材料，强度大，质轻
3．应用于包装材料（蜂窝纸芯复合板）
质轻 1）强度高。一克重的蜂窝状纸能承受800克的重
力不变形，是五层瓦楞纸板的20-75.6倍。
2）承重大。10mm厚的蜂窝纸芯复 合板承重为0.5 ～ 3吨/平方米，是
五层瓦楞纸板的2～10倍强，度可以大替 ，刚度高
代实木板。包装重物的范围从几公 斤到几千公斤之间，如果是外面复
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祝您成功！
在《蜘蛛侠2》里有个镜头，蜘蛛侠用蜘蛛丝duang地一下拉 住了火车，在电影里这显然是加了特技，常人看来不可思议。
但是，根据蜘蛛丝特性，这确实是可以的
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仿生材料
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想像： 请大家设想这样一副场景
王梓郡
仿生材料
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接触角大于150度，滚动角小于10度
荷叶表面的水滴
• 层状陶瓷基复合材料，模拟了自然界中贝壳的珍珠层的复合结构。采用层状
结构，在脆性陶瓷材料中加入耐高温软质材料，制成层状复合材料。如常选 用高强、高硬的陶瓷（如Si3N4、AI2O3、SiC等）来模拟珍珠层中的硬层，选 用硬度较低、弹性模量较小的陶瓷（如BN、石墨等）或金属（如AI、Ni、W 等）模拟珍珠层中的软层，最终制得“砖-泥”结构高强韧复合材料。
Ref:李冬云，乔冠军，金志浩. 层状复合陶瓷材料的研究进展.[J] 无机材料学报.
竹子具有良好力学性能的生物体 。它 强 度 高、弹性好、性能稳定, 而且密度小 (只 有0 . 6～1 . 2 g / c m3)，虽然钢材的抗拉强 度为竹材的 2 . 5 ～3 . 0倍 ,但钢材的密度却为 竹材的 10 倍左右 , 因此 , 按比强度计算 ,竹材 的比强度比钢材高出 3～4 倍 。
Ref:Macromol. Rapid Commu n. 2011, 32, 1253–1258
Ref:Macromolecules, Vol. 43, No. 3, 2010
Ref:Chem. Eur. J. 2009, 15, 1893 – 1900 Appl. Mater. Interfaces, 2009, 1 (7), pp 1427–1436
Ref: Lin; Li, Shuhong; Li, Yingshun; Li, Huanjun; Zhang, Lingjuan; Zhai, Jin;Song,Yanlin;Liu, Biqian; Jiang, Lei; Zhu, Daoben. Advanced Materials,2002, 14 (24), 1857-1860
○航母弹射器
性质
◇范德华力 ◇体积微型，数量庞大 ◇可逆粘附
应用
○“壁虎带”粘合剂 微型机器人
壁虎在脱黏过程中刚毛的角度十分重要，唯有 在某个临界角度下刚毛才能轻易脱 黏。经过大 量实验研究，人们得到该临界角约为30度左右
英国科学家Geim等仿照壁虎脚掌刚毛制造 出的“蜘蛛侠”玩具
美国斯坦福大学在2006年研 我国南京航空航天于2011年 发出一种仿壁虎机器人，称 研发出的“大壁虎”机器人 之为“粘虫”(Stickybot)
合 至纤可维承板载、十三几合吨板的的超节蜂重窝商省纸品材板，料甚 ，可回收利用
3）弹性、防震性能好。
• 贝壳珍珠层是一种天然的无机-有机层状生物复合材料，由碳酸钙(约占
95%)和少量有机基质(约占5%)组成。整个贝壳体系的抗张强度是普通碳 酸钙的3000多倍。这种良好的力学性能归因于珍珠层独特的微观结构。
超疏水性自清洁涂料 防冰雪涂料
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自愈合:
无外界作用的情况下，自 我恢复的能力
陶瓷
金属
自诊断能力: 受到外界作用产生裂纹或 损伤时能做出某种响应
自修复功能: 感受到损伤后，愈合剂开 始进行修复，完成材料性
能和结构的恢复
仿生自愈合材料
✓MBR(Membrane Bio-Reactor，
膜生物反应器)法处理工业污水
膜分离技术是由膜分离单元与生物处理 单元相结合的新型水处理技术，以膜组件 取代二沉池在生物反应器中保持高活性污 泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保 持低污泥负荷减少污泥量。
仿生自愈 合材料 陆昳睿
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仿生材料
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• 仿蜂窝复合材料 • 仿贝壳材料 • 仿竹材料
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仿生材料
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• 蜜蜂构筑的六角型蜂巢结构比
任何圆形或正方形的结构更强 有力，能承担来自各方的外力； 且这种蜂窝结构是蜜蜂采用最 少的蜂蜡建造成的。