自然界的纳米材料及荷叶效应

四、贝类——娴熟的粘合高手
• 普通的贝类，堪称纳米粘合技术的高手。 当它想把自己贴在一块岩石上时，就会打 开贝壳，把触角贴到岩石上，它将触角拱 成一个吸盘，然后通过细管向低压区注射 无数条黏液和胶束，释放出强力水下胶粘 剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫，起到 小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在 这个减震器上，这样，它们就可以随波起 伏，而不至于受伤。这种牢固的胶粘效果 就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的 相互作用。 •
荷叶表面润湿原理
•
三、会吐丝的蜘蛛
• 自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右，是真正 的纯天然纳米纤维。如果用蜘蛛丝制成和普通 钢丝绳一样粗细的绳索，那么它可以吊起上千 吨重的体，其强度可与钢索相媲美。除了用于 捕捉飞虫外，几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为 指路线、安全绳、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有 几种腺体，被称为吐丝器。各种腺体产生不同 类型蛛丝，腺体顶端有喷丝头，其上有数千只 小孔，喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、 张力大的蜘丝。蜘丝由丝纤朊蛋白质组成。通 常，一千根蜘丝合并后比人的头发丝还要细十 分之一。
五、眼观六路的蛇尾海星
• 蛇尾海星是一种碟形的带甲壳的海底生物。它有五个触 角，没有眼睛，尽管如此，它却能够敏感地感知远处潜 在的天敌，并及时将触角缩进壳里。蛇尾海星身上面长 满了“眼”，即数以万计的完美的微型透镜，这样，整 个毛茸茸的身体就构成了海星眼观六路的眼睛。 • 研究还表明，一只蛇尾海星身上的这种透镜数目大约 有5万到10万，它们都Fra Baidu bibliotek由纳米晶体的碳酸钙组成；这 种完美的光敏感微型透镜系统，是海星生长过程中，身 体表面纳米结晶化的结果；为了防止不必要的色边，结 晶化过程中，透镜内还吸收了适量的镁，这既可以帮助 海星更有效地过滤光线，又可以校正透镜的“球面像差 ”，进而发现天敌的效率。
六、细菌---世界上“跑”得最快的生物
• 细菌世界的成员众多，其运动方式和机制上也存在差异，但大部 分能够运动的细菌都 是依靠自身的运动器官—鞭毛的作用。鞭毛 是一种长的蛋白丝状物，它附着于细菌的外表，一般长15-20微米 ，直径20纳米左右。细菌鞭毛的功能相当于船的螺浆，在水中可 以高速旋转从而推动菌体前行，因此水环境是鞭毛细菌自由驰骋 的天地。鞭毛的旋转速度非常快，每秒钟旋转两百到一千多转， 比一般的电动机要快得多，鞭毛的高速旋转是由其附着于菌体上 的基体旋转带动的，基体实际上就是鞭毛的基部，它由一个中轴 套上两个或四个环构成，镶嵌固定在细菌的体表（细胞膜和细胞 壁）中。在科学家的眼中，基体简直就是一台精巧的纳米分子马 达，但这个马达并不是靠电流驱动，而是用伴随着细胞膜两侧质 子梯度的消失产生的生物能量ATP来驱动。细菌的鞭毛马达还可以 转向（从反时针旋转变为顺时针旋转）从而使菌体发生翻滚，进 而改变细菌的运动方向，事实上细菌在游动时也并不是单纯地一 直朝前游，而是伴随着不时的随机翻滚转向，但从表观上看仍表 现为细菌的前行。
自然界的纳米材料及荷叶效应
纳米材料
• 我们生活在宏观的世界里，提到“纳米材料” 这个词，可能之前都会觉得熟悉但是也很陌生 。其实在我们的生活中，纳米材料随处可见并 且与我们的生活息息相关。更神奇的是，纳米 材料的灵感来源于我们伟大的大自然。多姿多 彩的大自然赋予了各种生物独特的结构和形态 ，也启发了人类从自然获得灵感，创造更加美 丽的生活。
二、五彩斑斓的蝴蝶
• 蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质， 它们就像圣诞树上小小的彩灯，在光线的照耀下能折 射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一个身份 标志。不同颜色的翅膀，让形色万千的蝴蝶能在很远 的地方就识别出同伴，甚至辨出对方是雄是雌。 • 通过电子显微镜的观察，希拉尔多博士发现粉蝶翅 膀的结构非常奇特；尽管不同种类的蝴蝶，鳞片的结 构不同，但彼此之间还是有共同特征。一般来说，蝴 蝶翅膀由两层仅有3至4微米厚的鳞片组成，上面一层 鳞片像微小的屋瓦一样交替，每个鳞片的构造也很复 杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的 安排形成了所谓的光子晶体，也就是纳米结构。通过 这种结构，蝴蝶翅膀能捕捉光线，仅让某种波长的光 线透过。这便决定了不同的颜色。
荷叶效应
。
• 经过德国波恩大学的两位生物科学家的长期观察研究，终于揭开了荷叶叶面的 奥妙。通过扫描电子显微镜图像，可以清晰地看到，在荷叶叶面上存在着非常 复杂的多重纳米和微米级的超微结构。
• 荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约 为20-40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉 堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm-2μm）。因此，在“山 包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米 级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面 上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成几个点接触， 由于空气层、“山包”状突起和蜡质层的共同托持作用，使得水滴不能渗透， 而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰 尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。
• 利用“罗盘”定位的蜜蜂——蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性的纳 米粒子具有类似指南针的功能。 • 飞檐走壁的壁虎——壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛，可以使壁虎以几纳米距 离大面积地贴近墙面。 • 可爱的北极熊——其皮毛是两层中空的纳米管组成，且层间有空隙因空气的传 热系数很低就实现了保暖的功能。
一、水面上自由行走的水黾
• 水黾属于水生半翅目类昆虫，水黾的种类不同，大 小也不一样，一只中等大小的水黾重约30毫克，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。 • 研究发现，在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有数 千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些 像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构 的构槽，吸附在构槽中的气泡形成气垫，这些气垫 阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水 特性（超强的不沾水的特性）。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。 •