《生物信息与仿生材料测试技术》 课件 第3章 典型生物功能材料跨尺度表征测试技术.pptx

第三章典型生物功能材料跨尺度表征测试技术

自然界典型生物功能材料分类及特点概述道法自然，向自然学习，是原始创新科学研究的源泉，是创造新材料和新器件的重要途径，一直在推动着人类社会的发展和文明的进步。自然界中的动物和植物经过亿万年的进化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。例如，自然界生物表面的特殊浸润、黏附性能，飞鸟骨骼系统具有质量轻、强度大的构造形态，贝壳的珍珠层具有高的韧性和硬度等优异的力学性能，蜘蛛丝兼具独特的高强度、高弹性和高断裂功等机械性能和良好的可降解性和与生物组织的相容性等生物学特性。研究表明，自然界中生物体具有的这些优异的结构和功能均是通过由简单到复杂、由无序到有序的多级次、多尺度的组装而实现。因此，向自然学习是新型高性能纳米复合结构材料发展的重要思路。自然界生物体中独特的微米、纳米结构赋予其特殊的表面浸润、黏附性能。浸润性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸润性的研究无论在基础研究和工业应用方面都有着重要的意义。

自然界典型生物功能材料分类及特点概述荷叶的自清洁性荷叶“出淤泥而不染”及以及一些昆虫翅膀（如蝉、蜻蜓、蝴蝶翅膀等）表面的自清洁性，就是由于它们表面特殊的微观结构使固/液界面形成了气膜，水滴不能浸润而达到超疏水性引起的。其实远在两千多年前，人们就发现有些植物虽然生长在污泥里，但是它的叶子却几乎永远保持清洁，一个最为典型的例子就是荷叶。荷花通常生长在沼泽和浅水区域，但却具有“出淤泥而不染”的特性，这使得荷花成为几千年以来被人们作为纯洁的象征。荷叶上的灰尘和污垢会很容易被露珠和雨水带走，从而保持表面的清洁。科学家将这样的子清洁现象称之为“荷叶效应”。

然而荷叶始终保持清洁的机理却一直不为人们所知，直到20世纪60年代中期扫描电子显微镜（SEM）的发展，人们才逐渐揭开了荷叶“出淤泥而不染”秘密。

自然界典型生物功能材料分类及特点概述荷叶的自清洁性1977年，德国伯恩大学的Barthlott和Neinhuis通过扫描电镜研究了荷叶的表面结构形态（如图3.1所示）。揭示了荷叶表面的微米乳突结构以及蜡物质是其拥有自清洁功能的关键。他们认为认为产生的“荷叶效应”是由蜡状物质这种低表面能的材料以及乳突这种具有微米粗糙结构共同引起的。研究表明，荷叶表面分布着大量微米级的蜡质微乳突结构（图3.1a）；每一个乳突上又分布着大量纳米级的细枝状结构（图3.1b）；而且荷叶的表皮上存在许多的蜡质三维细管（图3.1c），这样的微纳米复合结构，致使水滴与荷叶表面具有很低的接触面积。因此，荷叶表面蜡质组分和微/纳米复合结构共同作用，赋予荷叶独特的超疏水和低粘附性。荷叶上水的接触角和滚动角分别约为160°和2°。水滴在荷叶表面几乎呈现球形，并且可以在所有方向上自由滚动，同时带走荷叶表面的灰尘，表现出很好的自清洁效应（图3.1d）。荷叶效应，即自清洁表面表现为：与水的接触角大于150有很强的抗污染能力，即表面污染物如灰尘等可以被滚落的水滴带走而不留下任何的痕迹[1]。

图3.1荷叶表面结构SEM图像

自然界典型生物功能材料分类及特点概述常见的具有捕雾能力的生物为了在极端干旱的条件下生存，许多生物进化出了特殊的的结构和润湿性，这使得它们能够在雾流中获得宝贵的水分（图3.2）。纳米比亚沙漠甲虫在雾流到来时，都会找到较高的沙丘，抬起它的背部迎接来自海岸的雾气流。雾气在其背部亲水区域聚集成水滴，然后在重力的作用下沿着疏水区域滑落到甲虫的口腔中，从而获得一天所需要的水分。仙人掌棘锥形非对称结构产生的拉普拉斯压差与梯度槽产生的表面能量梯度协同作用，使液滴从尖端到底部定向运动。挂满露珠的蜘蛛网让人们意识到这种一维材料也有其独特的捕雾技巧。研究发现蜘蛛丝在潮湿条件下会形成周期性的纺锤结结构，产生拉普拉斯压力差，结合各向异性结构特征所带来表面能量梯度共同作用，可以实现在蜘蛛丝主轴结周围水滴连续冷凝和定向收集。江雷院士团队在猪笼草口器边缘发现连续的的定向水输送，由于其在微尺度和纳米尺度上的分级结构，诱导了在输送方向上毛细上升增强，并通过钉住任何反向移动的水前缘防止回流，使得站在口器边缘的昆虫能够迅速的滑落到猪笼草的消化袋中。这种独特的润湿特性能够加速雾水收集装置表面液滴的滑落，为雾水收集装置的设计提供了新的思路[2]。图3.2常见的具有捕雾能力的四种生物模型

纳米比亚沙漠甲虫（a-c），仙人掌（d-e），蜘蛛丝（f-i）和猪笼草（j-n）

自然界典型生物功能材料分类及特点概述常见的具有捕雾能力的生物玫瑰花瓣表面由周期性排列的微乳突阵列构成，这些乳突表面又覆盖着密集的纳米折叠。独特的多级结构赋予玫瑰花瓣与众不同的表面润湿行为：水滴在其表面的接触角不仅大于150°，而且在超疏水状态下，微液滴可悬挂在其表面而不掉落，这种现象被称之为花瓣效应（图3.3