仿生结构及智能材料研究概述

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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 )
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。
返回
异质界面的设计
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
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
பைடு நூலகம்
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
返回
多重弱相互作用
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。
返回
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
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
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
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。
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
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。
返回
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
返回
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。
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)
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。
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
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:
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)
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:
仿生结构及智能材料研究概述
2012.2.27 张智伟 zhzhw@
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
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
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。
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
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。
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
相关文档
最新文档