生物体中存在的纳米材料及其特性

生物体中存在的纳米材料及其特性
摘要:本文简单罗列了一些生物界中常见的动植物中的纳米结构及其特性，通过这些简介可以清晰地体现出纳米材料的重要性，也可以直观的为我们展现自然界中的纳米材料及其特性，更加可以通过这些让我们联想到现实生活中纳米技术的应用。

关键词:纳米材料生物体结构原因
自然界中，纳米材料和它的形成过程早已存在。

只是先前人们不认识而已。

在地球的漫长演化过程中，在自然界的生物中，存在许多通过纳米技术形成的纳米材料。

亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛，到诡异的海星，从飞舞的蜜蜂、水面的水黾，到海中的贝壳，从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎，到显微镜才能看得到细菌… 个个都是身怀多项纳米技术的高手。

它们通过精湛的纳米技艺，或赖以糊口，或赖以御敌，一代一代，顽强存活着。

只是在现代科学技术发展起来之后，人们才对自然界中的纳米技术和纳米材料有了一些认识。

例如，知道了石灰岩溶洞中的石笋是一纳米一纳米生长起来的，它们的形状才会那么千奇百怪。

贝壳和牙齿是一纳米一纳米生长的，才会那么坚硬。

植物茎和头发也是一纳米一纳米生长的，才那么柔韧。

那么什么是纳米材料呢？
纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。

纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题
的科学技术。

可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。

由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。

因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多
特殊性质。

纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。

什么又是纳米材料的特点呢？
当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。

比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。

按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。

我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。

也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。

纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的
比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。

对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。

“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。

第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。

无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。

“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。

“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。

以下罗列几种自然界中的生物体含有的纳米结构及特性：
1、洁身自好的莲花
荷叶能不沾水，因为荷叶上有用纳米技术生长
出来的绒毛。

通过电子显微镜，人们观察到莲叶表
面覆盖着无数尺寸约10个微米突包，而每个突包的
表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。

这
种特殊的纳米结构，使得荷叶表面不沾水滴。

当荷
叶上有水珠时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠可
以粘起叶面上的灰尘，并从上面高速滑落，从而使
得莲叶能够更好地进行光合作用。

2、飞檐走壁的壁虎
壁虎依靠纳米技术能在墙面上爬行，能反贴在天花板上，还可以用一只脚在天花板上倒挂。

壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛，使壁虎能以几纳米的距离大面积地贴近墙面。

尽管这些绒毛很纤弱，但可以利用范德华力，提供数百万个的附着点，以支撑其体重。

这种附着力还可像撕开胶带一样“剥落”，使壁虎能够穿行。

3、贝类--娴熟的粘合高手
贝类是纳米粘合技术的高手。

当贝类打开贝壳，把触角贴到岩石上，触角能拱成一个吸盘，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，黏液和岩
石间通过纳米
尺度下的分子
之间相互作用
黏附在岩石上。

这些黏液和胶
束瞬间还能形
成泡沫，起到
小垫子的作用，
形成“减震器。

贝类通过弹性足丝停泊在这个减震器上，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。

4、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。

蛇尾海星的这种灵敏的感觉，长期以来，一直令生物学家迷惑不解。

近来，这个问题终于在其甲壳上找到了答案：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，它们都是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。

5、细菌---世界上“跑”得最快的生物
细菌的个头虽小，但它们的运动速度却相当惊人，许多细菌每秒钟前行数十微米，一种被称作逗点弧菌的，它每秒钟可向前游动100微米，不能小看这个数字，它相当于细菌自身体长的50 倍，而一个人类运动员每秒钟只能向前跑5.4倍体长的距离，即使猎豹这个数字也只能达到25倍，从这个意义上讲，细菌应当是世界上“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。

6、不怕冷的北极熊
北极熊长期生活在北极，而且你在冰水中游泳也不怕冻伤，究其原因是其皮毛的保护作用，北极熊的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，因此北极熊利用此结构长期生活在地球的最冷地带。

7、水面上自由行走的水黾
小型水生昆虫水黾被喻为“ 池塘中的溜冰者”，因为它不仅能在水面上滑行，而且还会像溜冰运动员一样能在水面上优雅地跳跃和玩耍。

它的高明之处是，既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。

水黾是如何练就如此水上绝技？对此，中国科学院化学所研究员江雷在国《自然》杂志上发表论文，揭开了水黾“水上轻功”的奥秘，并认为水黾腿部特殊的微纳米结构才是真正原因。

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。

江雷领导的研究小组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。

8、利用“罗盘”定位的蜜蜂
研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。

这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。

最新的科学
研究发现，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，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。

当蜜蜂采蜜归来时，实际上就是把自己原来存储的图像和所见到的图像进行对比，直到两个图像达到一致，由此来判断自己的蜂巢。

利用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数公里的旅程。

9、五彩斑斓的蝴蝶
蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着迷。

这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的，又有什么不同意义呢？最近，荷兰格罗宁根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的通道。

在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后，希拉尔多博士揭示了这个秘密：翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。

他的研究表明，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，甚至辨别出对方是雄是雌。

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。

这便决定了不同的色。

10、吐丝的蜘蛛
蜘蛛的网常常出现在长久没有清扫的房间角落。

对于普通人而言，蜘蛛网并不是什么了不起的东西，用扫帚轻轻一拂，蜘蛛网就被扫掉了。

但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。

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物体，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。

[ 参考文献]
[ 1] http://
[ 2] 中国科学院化学所研究员江雷在国《自然》杂志上发表的论文
[ 3] 徐云龙, 赵崇军, 钱秀珍 《纳米材料学导论》 华东理工大学出版社 2008
[ 4] 江雷 《纯粹与应用化学》 2002
[ 5]
[ 6] 孙恩杰, 熊燕飞, 谢浩 《纳米生物学》 化学工业出版社 2010-09
[7] /nano-material-of-nature-230.html
学校代码 10126 学号01
纳米材料导论期末论文
题目生物体中存在的纳米材料及其特性
学院、系
专业名称
年级
学生姓名
任课教师
2012年05月 16日。