纳米仿生材料

仿生应用----仿生壁虎脚
利用结构可控的直立型碳纳米管阵列制成
（4×4）平方 毫米的碳纳米 管阵列自吸附 在垂直玻璃的 表面上悬挂一 瓶约650克的瓶 装可乐饮料； 自吸附在垂直 的砂纸表面上 悬挂一个金属 钢圈。
5自然界中的结构颜色 自然界产生颜色的主要途径是色素，但有些生物或 矿物经过进化却选择了结构颜色。 结构颜色： 依靠自然光与波长尺度相似的微结构的相互作 用而产生颜色。 静态色： 指那些在生长过程中形成的非随意可控的颜色 动态色： 指那些可随周围环境及条件变化的颜色 变色龙、乌贼、章鱼等具有动态色
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发 的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和 结构特征的成分、结构仿生、模仿生物体中形成 材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功 能的功能仿生。
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• 水母的顺风耳，仿照水母 耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前 15小时对风暴作出预报，对 航海和渔业的安全都有重要 意义。
仿生材料
一、仿生学
仿生学(Bionics)：模仿生物系统的结构、形状、 原理、行为以及相互作用，建造技术系统，或 者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特 征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物
的科学”。
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
自然界的几种生物体的表面性能及其 仿生纳米界面材料
模仿水黾“水上漂”功夫的机器人
4在墙壁上行走的动物—壁虎 壁虎的每只脚底 长着大约50万根 极细的刚毛（长 100um)，刚毛末 端又有约400— 1000根更细小的 分支。
微米级阵列刚毛 单根刚毛 单根刚毛末端的放大
壁虎的脚底与物体表面之间的黏附力来自于 刚毛与物体表面分子之间的“范德华力”的累积 （范德华力是中性分子彼此距离很接近时，产生 的一种微弱的电磁引力）。 壁虎的脚抗灰尘能力的自清洁性发生在整齐 排列的刚毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底与 吸引在单个或多个刚毛小分支上的灰尘粒子存在 着不均匀性，从而导致表面的自清洁性。 壁虎脚在踩踏脏物之后，脏物的颗粒堆积在 绒毛表面，而不是粘在绒毛上，因此在堆积到一 定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落。
• 宝马H2R氢燃料汽车外 型和设计的灵感来自 海豚、企鹅的低阻身 材。圆鼓的前脸、收 起的尾部，极小的正 锋面，成就了其0.21 的阻力系数。同样， 尺寸庞大的宝马7系得 益于其流线造型，阻 力系数也仅为0.29。
美国研发出一款举世无
双的“海豚潜艇”，
它不仅在外形上酷似
海豚，而且能像海豚
一样时而潜入水中， 时而跃出水面做出惊 险刺激的翻腾动作。
微米-纳米的分级复合 结构
在荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构， 这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引 起表面超疏水的根本原因，而且，如此所产生的 超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。 另外，在荷叶的下一层表面同样可以发现纳米结 构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿。
单一微米或纳米结构示 意图（上） 微米-纳米的分级复合结 构示意图（下）
3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿能排开300 倍于其身体体积的水 量，它的一条腿能在
水面上支撑起15倍于
身体的重量，它在水 面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和 油脂的协同效应
3 在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向
排列的多层微米
自然界的几种生物体的表面性能及 其仿生纳米界面材料
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
•2 昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠 覆盖，每一个鳞片上分布有排列 整齐的纳米条带结构，每条带由 倾斜的周期性片层堆积而成。
RO
不滚动
蝴蝶以身体为中心轴向外发散方向（RO方向）倾 斜，水滴易滚动；反向倾斜，水滴不能滚离；垂 直RO的两个方向，水滴不易滚离。
生物体的启示：生命体中特殊机能的智能化大多
与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视
觉神经纤维具微纳米结构（由紧密排列的柱状的
微绒毛构成，绒毛的长度约1-2um、直径约 60nm)；鲨鱼皮肤表面具有排列有序的微小鳞状 突起
自然界的几种生物体的表面性能及其仿生 纳米界面材料 1 植物叶表面的自清洁性
由于微、纳米结构并 存，大量空气储存在 这些微小的凹凸之间， 水珠只与荷叶表面乳 突的部分蜡质晶体绒 毛相接触。
2、表面各向异性
水稻叶表面存在类似于荷叶表面微/纳米结合的 阶层结构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边 缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任 意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同， 其中沿平行方向为3-5°，垂直方向为9-15°。
2 昆虫翅膀表面的自清洁性 3 在水面行走的昆虫—水黾 4 在墙壁上行走的动物—壁虎
5 自然界中的结构颜色 6 具有特殊浸润性的仿生智能纳米界面材料
1 植物叶表面的自清洁性
粗糙结构—荷叶效应
• 荷叶粗糙表面上有微米结 构的乳突，平均直径为59um，单个乳突又是由平均 直径约为124.3nm的纳米结 构分支组成，乳突之间的 表面同样存在纳米结构。
尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
水黾腿部的微米刚毛与 纳米沟槽结构电镜照片
水黾是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有 效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳 米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜， 阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏 水特性。
模仿水黾----新型超级浮力材料 • 哈尔滨工业大学的研究人员以多孔状铜网为基材， 并将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后 通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具备超 疏水性。这种微型船不但可以在水面自由漂浮， 且可承载超过自身最大排水量50%以上的重量，甚 至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不 会沉没。 • 船表面的超疏水结构可在船外表面形成“空气 垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面 被水直接打湿。