纳米生物与仿生材料第五章

仿生材料
• • • • • • • • • 荷叶效应 蝴蝶颜色 叶绿素的光合作用 生物膜结构与功能（植物细胞壁，类脂） 腱，头发和木的分级结构 骨和昆虫壳（皮）的纤维复合材料结构 贝壳韧性（薄壳结构） 蛛丝强度 蜂窝结构的稳定性
蛛丝：强而韧
• 蛛丝（蛋白质纤维）是世界上最坚韧 的纤维材料。杜邦公司利用基因技术， 已制造出具有蛛丝特性的蛋白质并制 成纤维，具有更高的强度、韧性和耐 磨性。 1.4万只蜘蛛产出的蛛丝仅 • 液晶纺丝 有1盎司（约28.35克）
生物矿化种类
自然生物矿物产物
自然生物矿物产物
生物矿化形式
生物矿化过程
生物晶体矿化过程
例子
生物矿化的化学控制
• 已知的影响无机溶液中晶体生长的四种因素
– – – –
（1）过饱和度 （2）机械作用（螺位错、表面成核、表面反应、扩散） （3）系统内其它离子和分子的浓度 （4）PH值和温度
• 定活性离子穿过生物膜的运动速度，因此决定矿化位置 的离子浓度 • 穿过生物膜的离子形成一定的浓度梯度，因此控制了不 同矿化阶段的过饱和度 • 泡囊内不含活性运输物质，反而是控制泡囊内PH值的有 效机制，从而控制着泡囊内无机物的沉淀。
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
水黾
水黾的腿部有数千 根按同一方向排列 的多层微米尺寸的
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
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。
(Biomimetics,Biomimicry,Bio-inspired) 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）
仿生学
• 仿生学作为一门独立的学科，形成于20世纪60年 代，它是研究生物系统的结构性质、能量转换和 信息加工的处理过程，用来改善现有的或创造出 崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的边缘 学科。仿生技术是发展现代高新技术的重要途径 之一。
• 科学家仿照变色龙，制成 了一种既能自动改变颜色， 又始终与环境保持一致的 军装。这种军装用一种对 光线变化很敏感的化学纤 维织成的布料制成，士兵 穿上这种军装，可以放心 地从白色的沙滩上登陆， 在森林里军装是深绿色， 在草地时又变成麻黄色的 了。
鳄鱼“流泪”的启示
• 凶残的鳄鱼在吞食猎物时， 总是流着“悲伤”的眼泪， 其实它们是在排泄体内多 余的盐分。生活在咸水或 海水中的动物，体内都有 一种特殊的结构——盐腺， 各种盐腺的构造基本一样： 中间是一根导管，并向四 周辐射出几千根细管，跟 血管交织在一起，把血液 中多余的盐分离析出来， 再通过中央的导管排泄到 体外。
自然法则
• 能量最小原则（非共价键，室温，光合作用）
最小能量判据 ‐ 化学反应发生在低（室）温 ‐ 氢键, 亲水/疏水相互作用 ‐ 分级结构（分子组装）
• 最优化原则（优胜劣汰‐隐身色） • 功能适应性原则（进化）
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生物材料的结构特征
• 分级结构（头发，木） • 纳米结构（荷叶，蝴蝶） • 膜结构
仿生材料
天然生物材料结构与结构仿生 生物矿化 纳米生物材料自组装 仿生智能材料 生物传感器
仿生学
• 仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文 “bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（„具 有……的性质‟的意思）”构成的。 • 自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程 原理及重大发明的源泉。 • 相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在 水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾 上架置木桨。
• 盐腺是动物天然的 “咸水淡化器”。科 学家从鳄鱼的流泪中 得到启示，模仿盐腺 的构造原理，研制出 一种体积小、重量轻、 效率高、价格低的 “仿生海水淡化器”， 从根本上解决了海水 淡化的难题。
啄木鸟
• 啄木鸟一天可发出约600 次的啄木声，每啄一次的 速度可达每秒55ｋｍ，比 空气中的音速还快1.6倍， 而它的头部摇动的速度更 快，约每小时2 080ｋｍ， 比射出的子弹还要快1倍 多。此时，它头部所受到 的冲击力约为所受重力的 1000倍，而一辆时速为56 ｋｍ的汽车撞在一堵墙上， 受到的冲击力仅为所受重 力的10倍。为什么啄木鸟 头部可以受到那么大的力 却不会得脑震荡?
蛇形机器人
侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减少与高温沙 漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式 在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸缩的方式向 前运动大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式前进，这是它效率最 高的运动方式 蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球，比如月球、 火星等等这种未知的环境来做一些探察工作
蛛丝纺织品
70名工人花了4年时间收集了100多万只金色球 体蜘蛛，而另外十几名工人则从每只蜘蛛身上 抽取了约80英尺（约24.4米）长的蛛丝，纺织 成这块11英尺×4英尺的披肩（重1.18kg）
天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料
结构决定 性能
天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域, 即无定形区和结晶区形成的微相分离结构。 结晶相以纳米晶的形式分散在无定形相中,拉伸时沿轴向取向。
模仿水黾“水上漂”功夫的机器人
水母耳与电子耳
“耳”（细柄上的小球)中有 小小的听石，上面布满神经感 受器，能听到风暴产生时发出 的次声波（由空气和波浪摩擦 而产生，频率为8赫兹-13赫兹， 传播比风暴、波浪的速度快）
“水母耳”风暴预测仪 可提前15小时左右预报风暴
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种： 1. “边缘侦察器”：感受外围 物体的边缘 2. “昆虫侦察器”：感受移动 的昆虫 3. “事件侦察器”：感受亮度 的变化 4. “光强减弱感受器”：感受 光线减弱时阴影的暗色部分 ★ “电子蛙眼”：人造卫星跟 踪系统、雷达系统、信息处 理系统等
人类进化：500万年
生命进化：约35亿年→
生物的各种奇妙功能 给人类启发 ‐‐‐仿生思维
模仿生物本领
造出仿生材料
新兴学科——仿生学（仿生材料）
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
伪装之王变色龙
• 变色龙学名叫“避 役”，它行动迟缓， 面目可憎，浑身灰黑 色，布满了疙瘩，可 是它在一昼夜中能变 换六七种颜色。原来， 变色龙的表皮上有一 个变幻无穷的“色彩 仓库”，贮藏着黄、 绿、蓝、黑等各种色 素细胞，一旦周围的 光线、温度和湿度发 生了变化，变色龙就 随之改变体色。
伪装之王变色龙
• 响尾蛇是一种毒性很 强的蛇，它有一种能 探测周围环境中温度 变化的红外线感受器， 长在眼睛与鼻孔之间 的颊窝里。由于响尾 蛇具备了这种红外线 感受器，在黑暗中也 能准确无误地捕获猎 物。
导弹命名“响尾蛇”
• 美国的海军武器研究 中心，利用这一原理， 研制出一种空对空导 弹的敏感器件，能够 探测来自目标的红外 辐射，从而紧紧盯住 目标不放，直至把目 标摧毁。这种导弹被 命名为“响尾蛇导 弹”。
仿生学
仿生学(Bionics)
模仿生物系统的原理以建造技术系统，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
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 生物电 鸟 轮子 船橹 透镜 电池 飞机
生活中的仿生学
动物体的结构对功能的适应性
结构适应于功能是动物中的普遍现象 不同的动物，其形态结构特征可以有相当大的差别。动物为适应 自然的选择，产生了各种各样的形态特征。 仿生学
生物矿化
生物矿化
• 机体矿化组织在生物调控下由特殊细胞分泌有 机基质，基质中蛋白质诱导钙、磷离子在基质
上并按特定空间结构和时间顺序形成晶体 并生
长，这个过程称“生物矿化”。 •
生物调控——基因调控、细胞因子介导
生物矿化的作用类型
• 生物诱导矿化 • 有机体的生物活性同 周围环境之间的相互 作用，不涉及任何有 机媒介的参与 • 绿色海藻的矿化物就 是细胞空间内的生物 活性和外部介质中的 离子的相互作用结果 • 生物控制矿化 • 发生在细胞内外，矿 化作用发生在局域化 的体积内，涉及一些 有机介质的调空。 • 如牙齿
啄木鸟与新型安全帽
• 原来啄木鸟头部的构造与众 不同，它的脑壳非常坚硬， 周围还有一层海绵状的骨骼， 里面吸附着很多液体，能起 消震作用，头部两侧还有强 有力的肌肉系统，也能起到 防震作用。科学家由此得到 启示，设计了一种新型安全 帽：外壳坚固，里层松软， 帽子下部有一个保护领圈， 避免因突然而来的旋转运动 所造成的脑损伤。经过实验， 比一般防护帽效果好得多。
天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料
将一种侧链带叔胺基团水溶 性聚氨酯和聚丙烯酸溶液在 玻璃片上通过自组装形成双 分子层膜, 然后层层叠压, 制 备出具有从纳米到微米尺度 范围多层次结构的聚氨酯/ 聚丙烯酸( PU /PAA)纳米复 合材料.所制备的复合材料 具有单一组分3倍的强度和 韧性.
昆虫壳‐甲壳质纤维/蛋白质基体复合材料
生物与飞机
飞鸟的体形和翅膀在滑进飞 行时与飞机的飞行极为相似
鹰击长空‐啸傲云天
生物与造船——结构的模仿
模仿鲸的胸鳍给 船装上了船鳍
模仿鱼和鲸体表粘 液合成了几种人工 粘液，以减小湍流
蝙蝠与超声波
蝙蝠的捕食 根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的“探路仪”和“盲 人眼镜”
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。
贝壳：95% CaCO3/ 5%蛋白质基体
复合材料
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增韧机理：有机基体纤维化的作用
增韧机理：砖墙结构和蜂窝结构 （稳定性好）
珍珠：砖墙结构和蜂窝结构
骨：复合材料
（胶原为基体，磷酸钙为分散相）
骨骼的分级结构与仿生
• 松质骨和密质骨 例：长骨 两端骨骺（松质骨） 中间骨干（密质骨）
骨的主要有机相：胶原纤维（三股螺旋结构） 松质骨，羟基磷灰石+胶原基体 密质骨，薄层胶原纤维+矿物晶体
长骨的分级结构示意图
仿骨哑铃型晶须研制
动物的长骨，其构造特点为中部细长，骨质致密； 两端粗大，骨质疏松。 凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度高的区域。 长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压应力的冲 击，另一方面在与肌肉组织的协调配合上，粗大 的端部有利于应力传递，更有效地发挥骨质致密 的中段骨头的承力作用。这种骨头与肌肉的有效 配合，使得肢体的比强度和持重比提高。
我国最早的仿生师——鲁班
• 我国古代杰出的工匠鲁 班，在一次上山砍树时， 不小心被一棵小草划破 了手，他好奇地摘下草 叶观察，发现叶子的边 缘有许多锋利的小齿， 于是突发奇想，把铁片 磨上细齿用来割断木头， 从而发明了常用的伐木 工具——锯。锯的发明 是鲁班从带齿的叶片得 到的启发。
导弹命名“响尾蛇”
植物 鱼类 鸟类 哺乳动物
仿生学在工程技术中的应用
• • • •
信息仿生 控制仿生 拟态仿生 力学仿生
• 化学仿生 • 整体仿生 • 仿生材料
仿生学的研究方法
生物体
生物模型 数学模型 技术模型
基础
桥梁 技术装置 目的
仿生材料
仿生材料定义： 人类受生物启发或模仿生物的各种特性、行为、结构 等而开发的材料。 研究范围主要包括： 分子仿生、结构（力学）仿生、行为过程和加工方法 仿生、能量仿生、信息处理与控制（神经）仿生等。
仿生学和仿生材料学
• 原理‐向生物学习，模仿或取得启示，仿造具有 生物结构、特点和功能的新学科。仿生是方法 • 结构（可降解的肽键，氢键，自组装结构，分级 结构，优化的结构等） • 功能（催化，传输过程，分子识别等） • 从分子水平研究生物材料的结构特点，构效关系， 研发类似或优于生物材料的新材料
生物矿化的有机质调控
来自百度文库
生物矿化的有机质
• 有机质可以定义为任何由有机成分组成的局域化表 面 • 脂质、蛋白质和碳水化合物 • 有机质分为两类：溶于水的可溶性基质；在相同条 件下不溶于水的不溶性基质 • 有机质可调控无机晶体的成核、生长、晶型及趋向， 目前将这种过程称为分子识别 • 有机质的主要功能是提供生物矿化的摸板，调控生 物矿化过程。有机质的调控主要为体积调控和有机 基的定向特性控制