纳米生物与仿生材料第五章

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材料仿生学•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。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）人类进化：500万年生命进化：约35亿年→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(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。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”•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”。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蛇形机器人伪装之王变色龙•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•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。•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2080ｋｍ，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56ｋｍ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?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。鹰击长空‐啸傲云天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生物与造船——结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍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”蝙蝠与超声波可滑行100倍于身体长度的距离。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，它在水面上每秒钟水黾腿部的微米刚毛与纳米沟槽结构电镜照片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。水黾模仿水黾“水上漂”功夫的机器人“水母耳”风暴预测仪可提前15小时左右预报风暴水母耳与电子耳“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）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、信息处理系统等凤蓬草鱼尾轮子船橹人眼晶状体生物电鸟透镜电池飞机生活中的仿生学仿生学仿生学(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•仿生材料生物体生物模型数学模型技术模型仿生学的研究方法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。自然法则•能量最小原则（非共价键，室温，光合作用）•最优化原则（优胜劣汰‐隐身色）•功能适应性原则（进化）30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）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。•液晶纺丝1.4万只蜘蛛产出的蛛丝仅有1盎司（约28.35克）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。结构决定性能天然蜘蛛丝和蚕丝蛋白仿生材料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贝壳：95%CaCO3/5%蛋白质基体复合材料39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。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。生物矿化的有机质调控生物矿化的有机质•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生物矿化的有机质•有机质可通过其结构控制生物矿化，有两种途径–一是有机基层上作为矿化格子模板的二维原子网络生物设计–二是沉积离子在特殊有机表面的相互作用，在基底和共生表面之间没有格子匹配的要求•有机基质的调控机理––––静电作用疏水作用晶格几何匹配空间立体化学结构互补例子例子例子例子例子生物矿化系统模拟生物矿化的体系主要是：（1）通过形成各种不同的有序体系，如SAM、LB膜、微囊、囊泡、胶束、层状液晶高分子有序体等作为微环境进行模拟有机基质调控的生物矿化。（2）把经表面修饰的大分子作为模板诱导成核，如磷脂、脂质体、几丁质、胶原蛋白，胆固醇等有机膜为基质的仿生矿化模拟体系生物矿化产物特点•结构复杂多样•多层,不同层结构亦不同,具规则性•无机物与有机物紧