納米仿生材料課件

仿生材料2013.12.10一、仿生學(xué)

仿生學(xué)(Bionics)：模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物的科學(xué)”。

仿生學(xué)是一門(mén)生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等學(xué)科相互滲透而結(jié)合成的一門(mén)邊緣科學(xué)。仿生材料（Bio-inspired）：受生物啟發(fā)或者模擬生物的各種特性而開(kāi)發(fā)的材料。材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和結(jié)構(gòu)特征的成分、結(jié)構(gòu)仿生、模仿生物體中形成材料的過(guò)程和加工制備仿生、模仿生物體系統(tǒng)功能的功能仿生。寶馬H2R氫燃料汽車外型和設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自海豚、企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數(shù)。同樣，尺寸龐大的寶馬7系得益于其流線造型，阻力系數(shù)也僅為0.29。

美國(guó)研發(fā)出一款舉世無(wú)雙的“海豚潛艇”，它不僅在外形上酷似海豚，而且能像海豚一樣時(shí)而潛入水中，時(shí)而躍出水面做出驚險(xiǎn)刺激的翻騰動(dòng)作。生物體的啟示：生命體中特殊機(jī)能的智能化大多與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如昆蟲(chóng)復(fù)眼感光膜的視覺(jué)神經(jīng)纖維具微納米結(jié)構(gòu)（由緊密排列的柱狀的微絨毛構(gòu)成，絨毛的長(zhǎng)度約1-2um、直徑約60nm)；鯊魚(yú)皮膚表面具有排列有序的微小鱗狀突起

1植物葉表面的自清潔性

2昆蟲(chóng)翅膀表面的自清潔性3在水面行走的昆蟲(chóng)—水黽4在墻壁上行走的動(dòng)物—壁虎

5自然界中的結(jié)構(gòu)顏色6具有特殊浸潤(rùn)性的仿生智能納米界面材料

自然界的幾種生物體的表面性能及其仿生納米界面材料荷葉粗糙表面上有微米結(jié)構(gòu)的乳突，平均直徑為5-9um，單個(gè)乳突又是由平均直徑約為124.3nm的納米結(jié)構(gòu)分支組成，乳突之間的表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)。微米-納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)單一微米或納米結(jié)構(gòu)示意圖（上）微米-納米的分級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖（下）由于微、納米結(jié)構(gòu)并存，大量空氣儲(chǔ)存在這些微小的凹凸之間，水珠只與荷葉表面乳突的部分蠟質(zhì)晶體絨毛相接觸。類水稻葉表面碳納米管薄膜自然界的幾種生物體的表面性能及其仿生納米界面材料

蝴蝶翅膀由微米尺寸的鱗片交疊覆蓋，每一個(gè)鱗片上分布有排列整齊的納米條帶結(jié)構(gòu)，每條帶由傾斜的周期性片層堆積而成。2昆蟲(chóng)翅膀表面的自清潔性RO不滾動(dòng)蝴蝶以身體為中心軸向外發(fā)散方向（RO方向）傾斜，水滴易滾動(dòng)；反向傾斜，水滴不能滾離；垂直RO的兩個(gè)方向，水滴不易滾離。3在水面行走的昆蟲(chóng)—水黽水黽的腿能排開(kāi)300倍于其身體體積的水量，它的一條腿能在水面上支撐起15倍于身體的重量，它在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長(zhǎng)度的距離。

水黽穩(wěn)定的水上運(yùn)動(dòng)特性是源于特殊的微/納米結(jié)構(gòu)和油脂的協(xié)同效應(yīng)

3在水面行走的昆蟲(chóng)—水黽水黽腿部的微米剛毛與納米溝槽結(jié)構(gòu)電鏡照片水黽的腿部有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛（直徑3um），剛毛表面形成螺旋狀的納米溝槽結(jié)構(gòu)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以多孔狀銅網(wǎng)為基材，并將其制作成數(shù)艘郵票大小的“微型船”，然后通過(guò)硝酸銀等溶液的浸泡處理，使船表面具備超疏水性。這種微型船不但可以在水面自由漂浮，且可承載超過(guò)自身最大排水量50%以上的重量，甚至在其重載水線以上的部分處于水面以下時(shí)也不會(huì)沉沒(méi)。船表面的超疏水結(jié)構(gòu)可在船外表面形成“空氣墊”，改變了船與水的接觸狀態(tài)，防止船體表面被水直接打濕。模仿水黽----新型超級(jí)浮力材料

模仿水黽“水上漂”功夫的機(jī)器人

自然界的幾種生物體的表面性能及其仿生納米界面材料

壁虎的腳底與物體表面之間的黏附力來(lái)自于剛毛與物體表面分子之間的“范德華力”的累積（范德華力是中性分子彼此距離很接近時(shí)，產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力）。

壁虎的腳抗灰塵能力的自清潔性發(fā)生在整齊排列的剛毛上。由于粘附力所吸引在爬行基底與吸引在單個(gè)或多個(gè)剛毛小分支上的灰塵粒子存在著不均勻性，從而導(dǎo)致表面的自清潔性。壁虎腳在踩踏臟物之后，臟物的顆粒堆積在絨毛表面，而不是粘在絨毛上，因此在堆積到一定程度之后臟物顆粒在重力的作用下就會(huì)脫落。

仿生應(yīng)用----仿生壁虎腳

利用結(jié)構(gòu)可控的直立型碳納米管陣列制成（4×4）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直玻璃的表面上懸掛一瓶約650克的瓶裝可樂(lè)飲料；自吸附在垂直的砂紙表面上懸掛一個(gè)金屬鋼圈。具有結(jié)構(gòu)色及動(dòng)態(tài)色的生物大都由光子晶體組成。光子晶體：指能夠影響光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)，這種影響類似于半導(dǎo)體晶體對(duì)于電子行為的影響。（是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。）光子晶體以各種形式存在于自然界中，科學(xué)界對(duì)它的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一百年。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān)，而是因?yàn)樗鼛缀谓Y(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化；換言之，是光能隙在玩變色把戲。

（1）天然蛋白石

蝴蝶翅膀上的斑斕色彩，其實(shí)是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu)，選擇性反射日光的結(jié)果。（2）色彩斑斕的蝴蝶翅膀20um10um二、智能材料1、什么是智能材料？

材料一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對(duì)功能材料側(cè)重于其特有的功能。功能材料對(duì)來(lái)自外界或內(nèi)部的各種信息具有感知能力的敏感材料在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)能對(duì)之作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)材料20世紀(jì)80年代，人們提出了智能材料的概念。智能材料：具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的類似生物智能特征的材料。如果能把感知、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和信息等三種功能材料有機(jī)地復(fù)合或集成于一體就可能實(shí)現(xiàn)材料的智能化。2、智能材料的特征具體地說(shuō)，智能材料具備下列智能特性：(1)具有感知功能，可探測(cè)并識(shí)別外界（或內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)、輻射等；智能金屬材料智能無(wú)機(jī)非金屬材料智能高分子材料(2)具有信息傳輸功能，以設(shè)定的優(yōu)化方式選擇和控制響應(yīng)；(3)具有對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)及執(zhí)行的功能；(4)反應(yīng)靈敏、恰當(dāng)；(5)外部刺激條件消除后能迅速回復(fù)到原始狀態(tài)。智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制三個(gè)基本要素。

從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料應(yīng)具有或部分具有下列生物功能：(1)有反饋功能，能通過(guò)傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信息進(jìn)行比較，并將解結(jié)果提供給控制系統(tǒng)；(2)有信息積累和識(shí)別功能，能積累信息，能識(shí)別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋；(3)有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見(jiàn)性功能，能通過(guò)對(duì)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的收集，對(duì)外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見(jiàn)未來(lái)并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)；(4)有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出響應(yīng)；(5)有自修復(fù)功能，能通過(guò)自生長(zhǎng)或原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部破損；(6)有自診斷功能，能對(duì)現(xiàn)在和過(guò)去的情況作比較，從而能對(duì)諸如故障及判斷失誤等問(wèn)題進(jìn)行自診斷和校正；(7)有自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境作出響應(yīng)。3、智能材料的構(gòu)成

智能材料一般由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。它不是傳統(tǒng)的單一均質(zhì)材料，而是一種復(fù)雜的智能材料系統(tǒng)。

基體材料首選高分子材料，因?yàn)橘|(zhì)量輕，耐腐蝕；其次也可選金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。

在一定條件下，

驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)響應(yīng)和控制的任務(wù)。

常用的驅(qū)動(dòng)材料有形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料等。

敏感材料擔(dān)負(fù)傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境的變化（溫度、濕度、壓力、pH值等）。

常用的敏感材料有形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色、液晶材料等。（1）用于航空、航天飛行器采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)；空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu)，可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估，實(shí)施自診斷。

4、智能材料的應(yīng)用自適應(yīng)機(jī)翼具有翼型自適應(yīng)能力，如當(dāng)飛機(jī)在飛行過(guò)程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平衡地飛行。（2）用于建筑、工程結(jié)構(gòu)例：可以利用形狀記憶合金材料對(duì)應(yīng)變敏感、電阻率大及加熱后可以產(chǎn)生大回復(fù)力的特點(diǎn)，將記憶材料埋植在各種結(jié)構(gòu)中，再配上微處理器，使之集傳感驅(qū)動(dòng)于一體，便構(gòu)成自動(dòng)探測(cè)裂紋或損傷和主動(dòng)控制裂紋擴(kuò)展的完整控制系統(tǒng)。

例：“自愈合”纖維能感知混泥土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀空中纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過(guò)度撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來(lái)充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就會(huì)溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

（3）用于日常生活例：

通用汽車已經(jīng)在進(jìn)行將智能材料應(yīng)用在其未來(lái)汽車產(chǎn)品中的研發(fā)工作。這些非?！奥斆鳌钡牟牧夏軌螂S著溫度、壓力、磁