第八章 生物表界面

1管自生第八章生物表界面南京工業(yè)大學材料學院二○一一年五月2

第八章生物表界面※生物世界為了適應復雜的自然環(huán)境，表面形成了一套復雜的、多樣的、完善的系統(tǒng).

1）生物運動系統(tǒng)既可以使摩擦最小化，而在另一個極端又可以使摩擦最大化；2）對外界信息具有高靈敏感知性能3）對能量的利用具有高效性啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼；

蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性；

蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；

蝙蝠的回音定位使用促進了雷達開發(fā)改進；蓮花效應有絕佳的抗污性和疏水性南京工業(yè)大學材料學院管自生31)生物表面與光學特性

A偽裝（擬態(tài)）B警戒色

C對光的調(diào)控2）生物表面與粘附特性

A自清潔效應B超級潤濕性能C摩擦減阻3）微結構控制傳感與傳動4）生物軟體材料(softmaterials)的超級功能奇妙的生物世界獨特的微納米結構南京工業(yè)大學材料學院管自生4獨特的微納米結構

羅馬花椰菜：擁有黃金螺旋混沌圖案南京工業(yè)大學材料學院管自生5南京工業(yè)大學材料學院管自生6ResearchersattheMassachusettsInstituteofTechnology(MIT),US,havecopiedthestructureofabeetle'swingstomakesurfaceswithhydrophilic/superhydrophobicpatterning.Theartificialsurfacescouldhaveapplicationsinwaterharvesting,controlleddrugrelease,open-airmicrochanneldevicesandlabs-on-a-chip.NanostructuredsurfacemimicsNamibdesertbeetle8毛麗金龜數(shù)碼照片及其鞘翅表面微結構圖(A)數(shù)碼照片；（B）、（C）和(D)不同放大倍數(shù)的SEM麗金龜鞘翅紫外-可見光-紅外反射圖譜南京工業(yè)大學材料學院管自生9

甲蟲的翼鎖裝置a)、b)擬步甲科昆蟲的后、側胸廓區(qū)的微刺c)、d)赤擬合盜的后、側胸廓區(qū)的微刺南京工業(yè)大學材料學院管自生10顯微鏡下的奇妙世界

昆蟲復眼這張掃描電子顯微照片的放大率達到了5653倍，顯示了不明昆蟲復眼的表面、露在外面的光感受器細胞、支持細胞、色素細胞，色素細胞構成了復眼的六邊形單元(小眼)。蚊子的觸須這張掃描電子顯微照片顯示了“柄節(jié)”(scape)或蚊子左側觸須的第一個片斷，放大率為500倍。注意，位于觸須中央部位的是一個凹面，柄節(jié)的第二個片斷—莖梗在此與其他片斷相連。柄節(jié)周圍的葡萄外形的小眼是復眼的功能單元。南京工業(yè)大學材料學院管自生12蜻蜓頭部制動系統(tǒng)蜻蜓的頭制動系統(tǒng)a)頭-頸關節(jié)示意圖b)后頸部甲片側視圖c)頭部右側微刺區(qū)d)后頸甲片上背部的微刺e)后頸甲片上腹部的微刺f)頭后部、頭側及腦區(qū)域的微刺a-前方向d-后背方向head-頭jt-關節(jié)l-側向mfh-頭后表面的微刺區(qū)域ta-支撐三角南京工業(yè)大學材料學院管自生131)生物表面與光學特性A偽裝（擬態(tài)）；B警戒色；C對光的調(diào)控A偽裝CamouflageB毒蛙警戒色Aposematiccolor

圖1南京工業(yè)大學材料學院管自生14高超的動物偽裝藝術奇特鳥類偽裝成樹皮趴在松樹皮上的蟬《美國國家地理》攝影記者拍到的這些高超的動物偽裝技巧，令人感嘆生命之靈氣。你能看出這些有趣而高超的偽裝嗎？三只枯葉蟾蜍聚集在幾碼之內(nèi)，恍若從巴拿馬森林里消失了似的。164.設想與展望實拍變色龍用長舌捕捉蟋蟀在澳大利亞墨爾本博物館，一只變色龍正用舌頭捕捉蟋蟀。變色龍為一種“善變”的樹棲爬行動物，它能夠隨著周圍環(huán)境的變化改變自己的身體顏色以隱藏自己，是自然界中的偽裝高手。變色龍用長舌捕食時動作極快，每次只需1/25秒17水黽腿的掃描電鏡SEM照片，(b)無數(shù)細長微剛毛，20μm，(c)單根剛毛上的精細螺旋狀的納米凹槽結構，200

nmNature,2004水黽能在水面上支撐15倍于身體的重量

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生物界的材料、組織和器官表現(xiàn)出奇異的想象和完美的功能，很重要的原因就是其獨特的微納米梯度結構，這是材料學家仿生的智慧源泉！198.1生物的表面摩擦和粘附系統(tǒng)

8.2昆蟲的摩擦裝置8.3抗粘附機制本章主要內(nèi)容20生物表面與基質(zhì)相互作用過程中，為了適應運動而形成的一套運動系統(tǒng)，其中包括由纖維素、多聚糖、蛋白質(zhì)、脂肪酸、磷脂等組成的鉤、鎖或卡、夾、墊、吸盤等粘附結構，該結構表面具有微納米有序的微結構組成，其通過負壓吸入、機械互鎖、毛細作用、分子粘附以及靜電作用，使其與表面作用達到最大或者最小。生物表面的粘附系統(tǒng)（掌握）

21增加摩擦的系統(tǒng)(1)植物表面復制機制

圖8-10藤蔓植物爬墻虎的“吸管”

a)連接在表面的粘附裝置b)“吸管”8.1生物的表面摩擦和粘附系統(tǒng)

22(2)蜥蜴墊的移動粘附

蜥蜴(GeLko壁虎)腳上的剛毛，內(nèi)生表皮層上新剛毛形成的三個階段的示意圖a)最初階段b)中間階段c)最后階段次末端區(qū)CLO-外表皮產(chǎn)生的透明層OBI-內(nèi)表皮產(chǎn)生的表皮層TB-主要剛毛終端亞區(qū)分微剛毛是角質(zhì)化表皮的衍生物，它們長大約90微米，寬約為lO微米壁虎膠帶

(GeckoTape)圖一248.2昆蟲的摩擦裝置鱗翅目昆蟲足的末節(jié)、頭部制動系統(tǒng)、鱗翅類蒼蠅的口器腱膜，以及蝴蝶和雙翼目蛾的甲膜，往往都有摩擦裝置昆蟲是表面動物

表皮微觀結構的作用空氣動力學表面的作用b)清洗身體的作用c)發(fā)聲作用d)磨碎食物e)過濾裝置f)流體動力學表面的作用g)空氣調(diào)節(jié)h)控溫i)體色251昆蟲附著裝置的原理

附著原理的八種基本類型a)鉤b)鎖或卡c)夾d)墊e)吸盤f)膨脹錨g)粘性分泌物h)摩擦262.蜻蜓頭部制動系統(tǒng)蜻蜓的頭制動系統(tǒng)a)頭-頸關節(jié)示意圖b)后頸部甲片側視圖c)頭部右側微刺區(qū)d)后頸甲片上背部的微刺e)后頸甲片上腹部的微刺f)頭后部、頭側及腦區(qū)域的微刺a-前方向d-后背方向head-頭jt-關節(jié)l-側向mfh-頭后表面的微刺區(qū)域ta-支撐三角27

甲蟲的翼鎖裝置a)、b)擬步甲科昆蟲的后、側胸廓區(qū)的微刺c)、d)赤擬合盜的后、側胸廓區(qū)的微刺28生物表面的抗粘附機制（掌握）1）大多數(shù)植物和有些動物被疏水性表皮覆蓋疏水性表皮由聚酯基質(zhì)中的類脂構成2）表皮表面經(jīng)常被細胞生長物(毛狀體)、折痕所刻蝕或被蠟晶體覆蓋。疏水植物表面的粗糙度會降低潤濕性，與相同組成的光滑表面相比，水滴的接觸角更大

3）污染植物表面的顆粒比那些疏水蠟更易濕潤。污垢通常都停滯在表面結構的末端，以至于顆粒和植物表面間真正的接觸面積很小。這些顆粒容易被表面滾下來的水滴除掉。由于顆粒和植物表面間的真實接觸面積較小，顆粒和水滴間的粘附將大于顆粒和植物表面間的粘附。4）在光滑植物表面，污染顆粒和表面間的真實接觸面積是足夠大，以至于顆粒不會粘附到滾下的水滴上南京工業(yè)大學材料學院管自生29圖5荷葉

一陣風來碧浪翻，真珠零落難收拾珠明浮盤戲，酒漾流杯曄——雨中荷花宋·杜衍——玉井亭觀荷宋·楊萬里抗粘附特性30

圖3.21.荷葉的表面結構：由微米級的乳突組成，乳突結構又由納米級的精細結構構成（見右圖）。該表面為超疏水特性31a)—c)疏水刻蝕植物表面的自凈效應，在粗糙表面上，顆粒粘附在水滴上，然后被水滴從表面除掉d)-f)在光滑表面上，污染顆粒因滾下來的小水滴重新分布南京工業(yè)大學材料學院管自生32仿生學行為仿生外形仿生結構仿生仿生材料制備及研究方法簡介33悉尼歌劇院仿貝殼建筑物

建筑功能六角形組成的的蜂巢結構，既輕又堅固日本新干線車廂采用「鋁蜂巢結構」此結構也用于機翼上34分子結構模板仿生材料仿生無機材料仿生高分子材料仿生納米晶金屬

生物組織模板DNA;蛋白質(zhì)；氨基酸等病毒、細菌、動植物的器官（葉、枝干、腿、翅膀、羽毛等）

根據(jù)生物功能原理進行仿生制備水熱合成法氣相沉積法Sol-gel法35Spidersenses傳感與傳動蜘蛛網(wǎng)上的水珠原理仿生3637Structuresofdrycapturesilkofcribellatespidera,Low-magnificationenvironmentalSEMimageofperiodicpuffsandjointssurroundingtwomain-axisfibres.b,Magnifiedimageofpuffcomposedofcountlessnanofibrils.38a,EnvironmentalSEMimagesofperiodicspindle-knotslinkingwithslenderjoints.Theapexangleofspindle-knots(2β)isabout19°.Low-magnification(b)andzoomed(c)imagesshowthatthespindle-knotisrandomlyinterweavedbynanofibrils.d,e,Low-magnification(d)andhigh-magnification(e)imagesofthejoint,whichiscomposedofnanofibrilsalignedrelativelyparalleltothesilkaxis.39Artificialspidersilkthatmimicsthestructureandwatercollectioncapabilityofnaturalspidersilk.a,Opticalimageofspindle-knot/jointstructurewithperiodicityof394.6?±?16.1?μm.b–d,SEMimagesofaspindle-knot(b),astretchedporousstructureonthejoint(c)andarandomporousstructureonthespindle-knot(d).e–j,Directionalwatercollectiononartificialspidersilk.Whentheartificialspidersilkisinmistat0?s,tinywaterdropsrandomlycondenseontheartificialspidersilkat7.708?s(e),andthendirectionallymovefromjointtospindle-knotwiththevolumeincreasingfrom7.955?sto8.717?s(f–j).40生物組織模板仿生41Fig.3.3.Schematicdiagramofthevirus-enabledsynthesisandassemblyofnanowiresasnegativeelectrodematerialsforLiionbatteries.

Virus-enabledSythesisandAssemblyofNanowiresForLithiumIonBatteryElectrodes

AngelaM.BelcherSCIENCEVOL31212MAY2006以分子組織為模板制備仿生材料42Fig.3.4.CharacterizationofthehybridnanostructureofAunanoparticlesincorporatedintoCo3O4nanowiresBC43Fig3.5.Two-dimensionalassemblyofCo3O4nanowiresdrivenbyliquidcrystallineorderingoftheengineeredM13bacteriophageviruses.(AandB)Phase-modeatomicforcemicroscopeimageofmacroscopicallyorderedmonolayerofCo3O4-coatedviruses.Digitalcameraimageofaflexibleandtransparentfree-standingfilmof(LPEI/PAA)100.5onwhichCo3O4viralnanowiresareassembledintonanostructuredmonolayerwithdimensionsof10cmby4cm.(D)CapacityfortheassembledmonolayerofCo3O4nanowires/Licellattwodifferentchargingrates.44HydrothermalsynthesisofZnOhollowspheresusingsphero-bacteriumasbiotemplate

ZhouHanetal.MicroporousandMesoporousMaterialsxxx(2006)321–326Fig3.6.FESEMimagesof(a)originalBacteriatemplate,withtheinsetofhighermagnification.(b–d)Bacteria/ZnOcore-shellspheresobservedunderdifferentmagnifications.(e)ZnOhollowspheresafterremovalofbacteriatemplatesbycalcinationat600C,withtheinsetofanindividualbrokenhollowsphere.以組織或者器官為模板，并最后燒掉模板制備仿生材料45Fig3.7.SEM-micrographsofbiomorphousSiOC/C-ceramicsafterpyrolysisat800C:(a)non-extracted,PMHS-infiltratedpineand(b)beech,(c)extracted,PMHS-infiltratedpineand(d)beech.(polymethylhydrosiloxane—PMHS).BiomorphousSiOC/C-ceramiccompositesfromchemicallymodi?edwoodtemplates,J.Euro.CeramicSoc.24(2004)479–487CordtZollfranketalGermany4646550℃800℃700℃Synthesisofhierarchicalmesoporoustitaniawithinterwovennetworksbyeggshellmembranedirectedsol–geltechnique

QunDongetal.MicroporousandMesoporousMaterials,2007,98,344–351原結構47Fig.3.8.Luffasponge.(a)LuffagourdTop-view.(b–d)SEMmicrographsoftheLuffaspongestruts,showingthemicrocellulararchitectureofthefibrousstructure.BiotemplatingofLuffacylindricaspongestoself-supportinghierarchicalzeolitemacrostructuresforbio-inspiredstructuredcatalyticreactorsAlessandroZampierietal.MaterialsScienceandEngineeringC,2006,26,130–13548Fig.4.Silicalite-1self-supporting(calcined)zeolitereplicaofLuffasponge(highlyconcentratedprecursorsolution,1-stepsecondarycrystalgrowth).(a,b)SEMmicrographsshowingthecontinuousbundlesofself-supportingzeoliticmicrorodswithhighaspectratio(>100).(c)Zeoliticmicrorods(closerview)onafracturedcross-sectionwithtexturalimprintingeffects(helicaltexture).(d)Externalfilmformingthezeolitescaffold(crystalsmorphologyandsizearedifferentcomparedtothecrystallitesoftheinnermicrorods).49圖2.植物花粉具有多種梯度結構和形貌50Figure3.9TherepresentativeSEMimages(a-c)ofpollengrainscorrespondtocamellia-,rape-andsweet-potato-pollengrains,respectively,and(d)theschemeofpreparingpollen-templateSiO2hierarchicalstructureinasurfacesol-gelandsuccedentcalcinationprocess.

3.仿生材料及本課題組的研究現(xiàn)狀簡介51Figure3.10SEMimagesofthelily-pollen-templateSiO2replicasatdifferentmagnifications.(a)Low-magnificationSEMimage,(b)representativeSiO2replicaswithtwistandporousedgesbetweenmeshes,(c)detailedstructureoftheSiO2replicawithtwistedges.Guan,Z.S.andZhang,Y.J.ChineseChem.2007,(inpress)52Fig.3.11ZnOReplicas

5353圖3.12紅薯花粉的SEMZnO54Figure.SEMimagesof(a)rapepollengrains,(b)thePTFE-encapsulatedpollengrainscombinedonthePTFE-basedcoating,(c)thedetailedstructureofaPTFE-encapsulatedpollengrain.(e)Photographofawaterdropletonthesuperhydrophobicsurface.55圖2科學家發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀是天然發(fā)光二極管圖3非洲燕尾蝶翅膀上鱗狀物的光學顯微圖象

對光的調(diào)控ResearchersattheUniversityofOxford,UK,havediscoveredwhattheysayisthefirstexampleofanopal-typephotoniccrystalstructureinananimal.

57Figure3.18.Morphologyandstructureoftheoriginalbutterflywingscales(PeleidesMorpho).(a)Aphotoofthebutterfly.(b)AlowmagnificationSEMimageofasinglebutterflywingscaleonsiliconsubstrateshowingthestripestructure.(c)Anopticalmicroscopeimageofthebutterflywingscalesfromthebluearea.(d)Thechematicofa“unitcell”onthelamellaethatresponsibleforthescatteredcolorfullight.(e)ASEMimagetakenonthescalesurfaceshowingthestructureofthelamella薄片.TheinsetisahigherresolutionSEMimageshowingtheperiodicnanostructuresonalamella.南京工業(yè)大學材料學院管自生58ControlledReplicationofButterflyWingsforAchievingTunablePhotonicPropertiesbyAtomicLayerDeposition(ALD)TechniqueNano.Lett.2007,…JingyunHuangetalSchoolofMaterialsScienceandEngineering,GeorgiaInstituteofTechnologyZhejiangUniVersity,Hangzhou310027,P.R.China3.仿生材料及本課題組的研究現(xiàn)狀簡介59Figure3.19.Imagesofthealuminareplicasofthebutterflywingscales.(a)Anopticalmicroscopeimageofthealuminacoatedbutterflywingscales,ofwhichthecolorchangedfromoriginalbluetopink.(b)Alow-magnificationSEMi