仿生结构及智能材料研究概述

植物叶表面的自清洁性
自清洁（self-cleaning） 荷叶效应
“出淤泥而不染”
荷叶效应
微米与纳米相复合 的阶层结构
类荷叶结构阵列碳纳米管薄膜
单一纳米结构：接触角约为158°，滚动角大 于30 °
微米-纳米分级复合结构： 接触角约为166°， 滚动角3 °
绒毛结构—弹性效应
斗篷草：是一种不稳定的超疏水结构，仅仅是一种动力学的稳定态。
仿生结构及智能材料研究概述
2012.2.27 张智伟 zhzhw@upc.edu.cn
什么是智能材料？
智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境） 刺激后，能够采取一定的措施进行适度响应的材料。
基本内涵：
感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部） 的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、环 境等 驱动功能，能够响应外界变化 能够按照设定的方式选择和控制响应 反应比较灵敏、及时和恰当 当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态
热响应性表面
超亲水/超疏水智能响应性表面
光响应性表面
光响应性表面的应用
利用光驱动实 现液体的运动
电场作用下浸润性的变化
电润湿性(electrowetting)，又称表面电致亲水效
应，是指绝缘基底上的某种润湿导电液体的接触角可 以通过在该液体与绝缘层下的电极通电来减小。
利用电润湿可以实现液滴在基质上的操纵和控 制。
异功能的某一个侧向，实现材料的智能化设计，并有可 能在某方面最终超越将向自然学习的新理念。
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多尺度结构的构筑和特性
天然生物材料的多尺度结构 纳米多尺度结构的构筑方法
纳米粒子的自组装、一维纳米材料的自组装、生物矿化的模拟
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响应性分子的设计、合成及应用
设计和合成响应性分子使得人们能够可逆地通过外界 刺激来改变界面的宏观物性。
以PTFE乳液为前驱物， 以不锈钢丝网作为基 底，制备出超疏水/超 亲油性的喷涂网膜
优异的油水分离作用
超亲水/超疏水智能响应性表面
可控浸润性表面：通过操纵表面结构及表面化 学组成实现浸润性的控制
表面微结构控制的浸润性 粗糙表面上化学组成控制的浸润性 浸润性梯度表面
超亲水/超疏水智能响应性表面
模拟水黾腿部结构的超疏水结构
实验室制备： 利用交替沉积自组装技术及电化学技术制成
的超疏水性漂浮状金纳米线 超疏水性材料的应用前景：
新型纺织品；新型水上交通工具
固体表面的浸润性
浸润性（润湿性，wettability） 宏观角度：润湿是一种流体从固体表面置换另一种
流体的过程
微观角度：润湿固体的流体，在置换原来的固体表
面上的流体后，本身与固体表面是在分子水平上的接 触，它们之间无被置换相的分子。
影响因素：表面化学组成；表面微观结构
浸润性的基本理论：表面化学组成
影响表面自由能(表面 张力)
根据表面的化学组成 可分为高能表面和低 能表面
浸润性的基本理论：表面粗糙度
接触角和Young’s方程
应用条件：理想表面 对于非理想固体表面：Wenzel模型,Cassie模型
在材料的宏观表面建造二元协同纳米界面结构。 人们不一定追求合成全新的体材料，当采取某种特殊
的表面加工后，在介观尺度能形成交错混杂的两种性 质不同的二维表面相区，而每个相区的面积，以及两 相构建的“界面”是纳米尺寸的。 这样具有不同、甚至完全相反理化性质的纳米相区， 在某种条件下具有协同的相互作用，以致在宏观表面 上呈现出超常规的界面物性的材料，即为二元协同纳 米界面材料。
一旦水的压力使得水滴接触到表皮底部，将会发生表面润湿。
表面各向异性
水稻叶表面
表面各向异性
蝴蝶翅膀
各向异性阵列碳纳米管
—表面微结构诱导的浸润性变换
ACNT (阵列碳纳米管)薄膜
在水面行走的昆虫-水黾
腿部特殊的微米与纳米相结合的结构效应 刚毛直径小于3μm（人的头发直径大约10 μm ）
例如：超双亲材料，超双疏材料，智能开关材料， 油水分离材料
超双疏表面
与水和油的接触角都大于150° 2001年中科院化学所实验室制备了具有“超双
疏”的阵列碳纳米管膜（经氟硅烷修饰）：与 水和植物油的接触角分别达到171 °和161° 应用前景广阔：防污、防腐、防管道黏附，防 水防污服装
超疏水/超亲油性表面
广义内涵：
传感功能
能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、 应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度 及其变化。
反馈功能
可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并 将其结果提供给控制系统。
信息识别与积累功能
能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
响应功能： 能够根据外界环境和内部条件变化，适时
具有特殊浸润性的表面
粗糙结构可以增强表面浸润性，从而产生特殊 浸润性：超亲水、超疏水、超亲油、超疏油
特殊浸润性表面的结构效应 二级复合结构
特殊浸润性表面的尺寸效应 临界值
接触角的滞后现象
静态接触角与动态接触角
四.仿生超疏水界面:制备方法
异相成核法 AKD（烷基正乙烯酮二聚体）
四.仿生超疏水界面:制备方法
熔剂-非溶剂法
四.仿生超疏水界面:制备方法
直接成膜法
其他方法：离子电镀；真空沉积；离子辅助沉 积；热解
多功能超疏水表面
稳定的超疏水表面 具有特殊光学性能的超疏水表面 导电性及磁性的超疏水薄膜 高度血液相容性
特殊浸润性的智能纳米界面材料
特殊浸润性：超疏水、超亲水、超疏油、超亲油 浸润特性的多元组合实现智能化材料：
可控药物释放涂层；户外微流体器件 芯片实验室（Lab-on-a-chip ）
自然界中的结构颜色
色泽鲜艳的蛋白石 由亚微米二氧化硅粒子以立方密堆积结构沉积 形成的矿物
自然界中的结构颜色
色彩斑斓的蝴蝶翅膀
由鳞粉上整齐排列的亚微米结构选择性反射目光的 结果
孔雀羽毛的绚丽色彩
小羽枝表皮下面的周期结构 调控方式：周期长度；周期数目
从外界刺激的种类来说，可以分为物理刺激和化学刺 激。前者包括光、电、磁、温度、压力等，而后者则 包括酸碱、配位化合、成键、断键、氧化-还原，光 化学、电化学等。
目前已有的响应性分子很多。如果在外场刺激下能够 带来表面分子的基团、构型、极性等的变化，就有可 能带来刺激响应性物性的变化。
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异质界面的设计
仿生智能纳米界面材料的设计思想
生物启发的理念 多尺度结构的构筑和特性 响应性分子的设计合成及应用 异质界面的设计
二元协同纳米界面材料
多重弱相互作用
非平衡状态下体系的协同作用
生物启发的理念
人类进化：500万年 生命进化：约40亿年 形成了最优化的形态结构、最有效的物质代谢和再循环
系统、最精确的控制和协调过程。 仿生(Biomimic)&生物启发(Bio-inspire) 从生物获得启示．实现微观与宏观的统—，模仿生物特
动态地作出相应的反应，并采取必要行动。
广义内涵：
自诊断能力
能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如 系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
自修复能力
能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补 某些局部损伤或破坏。
自调节能力
对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身 结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使 材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分 的响应。
等离子体处理法
四.仿生超疏水界面:制备方法
刻蚀法
四.仿生超疏水界面:制备方法
溶胶-凝胶法 气相沉积法(CVD)
四.仿生超疏水界面:制备方法
电化学法
四.仿生超疏水界面:制备方法
交替沉积法
四.仿生超疏水界面:制备方法
模板法
四.仿生超疏水界面:制备方法
自组装法
四.仿生超疏水界面:制备方法
其他仿生学研究
仿生探测、导航
在墙壁上行走的动物-壁虎
每只脚50万根极细的刚毛 每根刚毛末端有
400~1000根更细小分支 范德华力累积产生
仿壁虎脚底结构的超疏水性聚苯乙烯 纳米管膜
登山安全装置 超黏性手套：足球、板球守门员 外科手术用夹子和缝线 新型胶纸
沙漠集水昆虫-沙漠甲虫
仿生应用前景：
蝙蝠、海豚的“回声定位”系
高速飞机的开发
蜻蜓翅膀上的翼眼
（在机翼前缘的远端上安放加重装置以消除颤振）
现代仿生学的诞生
20世纪60年代起,仿生学“Bionics” 的构成
全美第一届仿生学讨论会的召开—标志着仿生学的诞生
20世纪90年代起,材料仿生的真正起步
仿生学领域的不断拓展（人居仿生学、企业仿生学、仿生减肥等） 直接开发生物系统本身（鳗脑指挥机器人、飞蛾触须探测爆炸物等）
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多重弱Baidu Nhomakorabea互作用
弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力、 弱的离子键协同作用．分子异构化、毛细管作用等 在短程和长程范围内相互结合的协同作用。
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古代仿生学的萌芽
鲁班 观察丝矛草叶子 仿其边缘的细齿结构 发明锯子
观察鱼在水中的游泳
仿鱼类的形体 发明木船
仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵
鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”
达·芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
近代仿生学的被动进展
20 世纪40 年代前
潜水艇的沉浮系统的开发
（装载石块→交替充排水浮箱→压载水舱）
鱼充气的鱼鳔
（分泌或吸收氧气）
雷达、战艇侦察手段的开发 统
（噪声测向仪→声纳系统）