仿生智能纳米界面材料研究

Note that the toy was already re-attached several times
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2.3 水黾：池塘中的溜冰者
20um
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200nm
2.3 水黾：how to walk on the water？ 清华大学张希： 利用LBL自组装技术制备超疏水性漂浮 状金纳米线
Combining a layer-by-layer assembling technique with electrochemical deposition of gold aggregates to mimic the legs of water striders
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制备过程：
SAM
LBL? ECD
SAM
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超疏水金纳米线
Shapes of the gold threads floating on the water’s surface. The diameter is 0.5mm after superhydrophobic modification (a) and before superhydrophobic modification (b). The diameter is 0.8mm after superhydrophobic modification (c). The scale of these images is 1:28
蜘蛛侠： a spider-man toy clinging with Geim等报道制备了一种 one of its hands to a 干燥的、非粘性的粘合 horizontal glass plate. 剂—“壁虎带”， 依靠的是两个物体接触 its hand covered with the 时表面产生的分子引 microfabricated gecko tape, 力—范德华力。
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4. 前景展望

电化学沉积： 在水溶液中 在非水溶液中 离子液体、熔融盐、有机溶液
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4. 前景展望
仿生材料的重要科学意义在于：
1. 2.
3.
将认识自然、模仿自然、超越自然有机结合， 将结构及功能的协同互补有机结合， 为科学技术创新提供了新思路、新理论和新方法， 是知识创新的源泉。
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二元协同纳米界面材料

（江雷）即具有互补性质的纳米结构。
在某些同等条件的作用下，这种特殊表 面可能展现出意想不到的性质，这些性 质往往具有很大的应用以及理论研究价 值。
22黑 色 的 眼 睛源自 寻 找 光 明23
以前，科学家们一直认为，水黾是依靠表面曲率所产生的波纹的表面张 力来支撑身体，并利用身体中间那对疏水的腿，像桨一样来推进它们的 运动。但是美国麻省理工学院的bush教授研究小组使用尖端跟踪装置和 高速视频照相机，捕捉到不同昆虫在水面上行走的过程，揭示了昆虫在 水面行走的原因，是利用其三对多毛的长足，在水中制造出螺旋状的漩 涡，借助漩涡的推动力快速向前行走。他们还指出，尽管的确产生了细 微的波纹，但他们并不是最主要的推动力。2004年江雷研究小组的研究 结果从根本上揭示了水黾在水上稳定站立并可以快速行走这一神奇的自 然奥秘，他们认为，水黾的这种优异的水上特性，是利用其腿部特殊的 微米与纳米相结合的结构效应来实现的。在高倍显微镜下观察发现，水 黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛，人的头发的直 径大约在80~100um之间，而水黾的刚毛的直径不足3um。这些刚毛表面 形成螺旋状的纳米沟槽结构，吸附在沟槽中的气泡形成气垫，从而让水 黾能够在水面上自由地穿梭飞行，却不会将腿弄湿，宏观上表现出水黾 腿的超疏水特性，水黾的多毛腿一次能够在水面上划出4mm长的波纹， 研究者还发现，水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，这就是这种 昆虫非凡浮力的原因，就是这种浮力让水黾的一条腿能在水面上支撑起 15倍于身体的重量，正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自 如，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。研究者认为，这 一发现可用于新兴防水纺织品的生产，但更重要的意义，也许在于这一 发现有助于设计出新型水上交通工具。
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3.1 via-like structures
Figure 2. (a) Schematic illustration of the steps for fabrication of via-like structures: formation of vias on the lines. (b) Plan view SEM image of silver squares formed on silver lines. The inset shows an AFM image of the same structure.
表面织构化
主要内容：
1.
2.
3. 4.
表面织构 自然界特殊表面及仿生制备 电化学沉积 前景展望
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1. 表面织构：

表面织构（Surface texture） 是指在表面通过一定的加工技术加工出 具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕、凸 包或微小沟槽等图案的点阵。
表面织构化包括: 仿生特种功能表面 和 图案化微结构
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2.自然界特殊表面及仿生制备

生物体中特殊的微米结构、纳米结构可 赋予其特殊的表面性能。 例如：荷叶、水黾、壁虎、鲨鱼……
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2.1 荷叶：出淤泥而不染

微米与 纳米结 构相复 合的阶 层结构
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2.1 荷叶：出淤泥而不染
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2.2 壁虎：壁虎漫步，又酷又浪漫
SEM图像
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2.2 壁虎：how to walk on the wall?
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1.3 水黾：how to walk on the water？

水黾是一种常见的生活在池塘、河流和湿地的小型水 生昆虫，伸长大约1cm，它有6条细长的腿，足上有纤 毛，可在水黾滑行。水黾被誉为“池塘中的溜冰者”， 因为它不仅能在水面上行走，而且还会像溜冰运动员 一样在水面上优雅地滑行，却不会划破水面浸湿腿脚。 水黾为何能够毫不费力地站在水面上，并能快速地移 动和跳跃？
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2.4 鲨鱼：海洋中游泳的佼佼者
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How to swim in the water?

“鲨鱼皮”泳衣 飞机涂层
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3. 电化学沉积

通过以上几个例子我们可以看出，通过 对生物表面的结构仿生,构建规整的表面 图案，可以实现结构与性能的完美统一。
其中的一种制备方法： 电化学法：（自下而上）
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电沉积在复杂结构中的应用：
Fabrication of Complex Architectures Using Electrodeposition into Patterned Self-Assembled Monolayers
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3.0
Schematic illustration of electrochemical deposition onto a SAM-modified surface
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首先，我们还是从荷叶谈起，看下面这 幅图，当我们把它的表面破坏以后…… 它的疏水功能就不再存在了，是不是我 们就可以用这种方式在上面写字，或者 其它~~ 但是，他的疏水表面又怎么用呢？
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3.2 Arrays of Single-Crystal Islands
Figure 3. (a) Plan view optical microscope image of the PDMS stamp with a grid pattern of 200 nm wide lines.
(b) Plan view SEM image of silver islands deposited on silver with 1um *1 um SAMfree squares separated by 200 nm SAM-modified lines.