纳米材料5

考试时间：2015年01月14日19：00南教303请相互通知！！！[e-mail]2014hlzhong纳米材料S5NanoMaterials郝兰众Theaimofthismissionisknowledge中国石油大学（华东）理学院日常生活中的那些“纳米”事儿莲花自清洁效应出淤泥而不染当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。不用洗涤剂的纳米服装•一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等相继出现，高科技的服装面料令人耳目一新纳米裤纳米领带在衣料纤维表面涂覆疏水性的纳米颗粒，普通几毫米大的液滴即使滴在衣料上，液滴和表面颗粒的接触面积极小，大部分则和空缺接触，类似桌上的一颗球，只要轻轻一弹，液滴就掉下来。具有易洁纳米涂层的陶瓷陶瓷表面进行纳米处理可以防污抗菌，运用纳米技术制程于卫浴设备中，如洗脸盆、马桶等产品上涂上一层纳米级釉料，除了可以产生更光滑細致的表面，还可使脏污不易停留在设施表面上，完全达到抗污防菌的效果。“纳米”造就神奇玻璃生活中常见的玻璃主要用于外墙窗户、门扇、室内屏风、画框等处，起着透光、挡风和保温作用。炎炎夏日，由于玻璃窗的阻隔，射进房间的灼热强光更让人感觉好似闷在蒸笼里，心烦气燥；凛凛严寒，玻璃窗又仿佛一道厚墙，把和煦的阳光挡在了外面，令人感到室内阴寒无比。虽然空调的出现让人们摆脱了酷暑和严寒的侵扰，可它又给现代都市本来就稀缺的电力资源再添重负，电力危机的红色警报在人们的耳边尖锐地响起。能否发明出一种既让人们生活得温暖舒适，又节约能源的新产品呢？科学家们带来了好消息：英国科学家发明出一种能起着空调作用的玻璃，它能平衡温度，让人在室内感到冬暖夏凉。“冬暖夏凉”的玻璃据科学家透露，它的奇特之处就在于表面涂抹了一种超薄纳米层物质——二氧化钒和钨的混合物。当天气寒冷的时候，二氧化钒能吸收红外线，产生温热效应，从而提高室内温度；相反，窗外温度过高时，两种粘合在一起的物质的分子发生相应变化，反射红外线，从而使室内温度变得凉爽。这种玻璃为何有如此神奇的功力？普通玻璃上如果附有灰尘，当水流过时，尘埃会吸附这些水珠，玻璃面就会沾满水滴，下雨天玻璃窗模糊不清，影响美观、降低视觉效果。最近，人们终于发明了一种不沾水的玻璃，玻璃也终于能产生出“荷叶效应”了。不沾水的玻璃神奇的不沾水玻璃和普通玻璃在构造上并没有太大区别，只是表面多了层高科技的纳米涂层。你可别小看这层薄薄的纳米涂料它混合了纳米二氧化硅、磷酸钛化合物、氧化锡三种物质，具有超亲水、防静电、防雾、防结露等特性。其中的超亲水特性最令人不可思议，水会始终紧贴玻璃表面流动，遇到尘埃则会把尘埃也一起带走，使得整个玻璃面滴水不沾。这种玻璃的用途很广，它给人们的日常生活带来许多便利。比如说，司机朋友们就再也不用为下雨天发愁了，因为即使车窗外的雨再大，雨水也会统统顺着玻璃淌下，丝毫不妨碍人们前方的视线。“自我清洁”玻璃东西用久了都会沾染上灰尘，纵然是表明光滑的玻璃也不例外，天长日久，它也需要人们为之清洁。小件的玻璃器皿脏了洗洗擦擦并不困难，可是擦拭外窗玻璃却是件麻烦的苦差事。特别是高层建筑上大块大块的玻璃，那恐怕还得让专业保洁公司的空中“蜘蛛人”来做清洁，既烦琐又危险。不过，在不久的将来，你就可以把擦拭玻璃窗的不便与危险都统统抛开了，因为美国科学家们已研制出一种叫“莲花”的特殊玻璃，它能够借助自然界的力量自我清洁。“莲花”之所以能给自己“洗澡净身”，就在于它是用一种特殊的技术，加入特殊的成分烧制，在玻璃表面形成纳米级颗粒和微孔结构的半导体氧化物纳米薄膜。一旦污垢附着到“莲花”身上，它的表面就会在阳光的作用下产生具有强氧化能力的电子空穴对。紧接着，电子空穴对又与空气中的氧气和水分子相作用，产生负氧离子和氢氧自由基。在强烈的氧化还原反应中，“莲花”将附在其表面的各种有机物分解为水和二氧化碳。最后，“莲花”又经过雨水的洗礼，涤荡掉从其表面脱落的剩余污垢，洁净的外表再次熠熠生光。•纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。•杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。壁虎飞檐走壁的奥秘壁虎是一种攀爬型动物，能攀爬极平滑与垂直的表面，比如越过光滑的天花板，飞檐走壁、倒挂金钟的能力让人类叹为观止。最近的研究揭示，壁虎的脚趾上附有数百万直立的微绒毛，每个微绒毛末梢都有纳米分支。当数百万这样的微绒毛与物体表面接触时，它们之间会产生强大的相互作用力，即范德华力，这种力的大小远远超过了壁虎自身的重量，因此，壁虎能够轻松自如地倒悬挂于天花板或墙壁表面。但是，为什么如此强的吸附力不会阻碍壁虎自如行走？MaterialmimicstheabilityofgeckofeettogripsurfacesScience,2008,Vol.318应用结构可控的直立型碳纳米管阵列，成功研制出具有强吸附和易脱离性能的碳纳米管仿生壁虎脚。将碳纳米管有机组成高密度、垂直取向的阵列膜，同时在其表面分布有任意取向的碳纳米管。每平方厘米的阵列面积可包含100亿个以上的直立碳纳米管，这种密度远远高于壁虎脚绒毛末梢的纳米分枝密度。更重要的是，在水平方向上任意取向的碳纳米管可通过与物体表面的相互作用而取向。碳纳米管仿生壁虎脚一方面，当与物体表面接触时，在平行于表面的方向有更多接近线状接触的作用“面”，从而在沿接触表面的方向上产生更强的相互作用力，单位面积的吸附力几乎是壁虎脚所能产生力的10倍；另一方面，在垂直于物体表面的方向上，与表面接触的碳纳米管在外力的作用下可逐点脱离表面，吸附力因此大大减少，从而实现轻松脱吸附。更有趣的是，这些碳纳米管阵列仿生壁虎脚对接触物表面没有什么特殊要求，不仅能在玻璃等光滑的物体表面产生强吸附力，而且在其他粗糙或疏水物体的表面也一样适用。碳纳米管仿生壁虎脚打造“蜘蛛侠”手掌大（10厘米×10厘米）的一块仿生纳米脚就可以在屋顶上悬挂一位100公斤重的人。可以预见，好莱坞大片《蜘蛛侠》中飞檐走壁的绝世本领，有望成为未来一般人都能掌握的基本技能奇妙的蜘蛛丝蜘蛛的网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于普通人而言，蜘蛛网并不是什么了不起的东西，用扫帚轻轻一拂，蜘蛛网就被扫掉了。在仿生学世界，借助于尖端的分析技术，一些源自大自然的奇思妙想正在被应用于各个产业之中，而蜘蛛丝堪称这一领域的圣杯。这件前后加起来长达3.96米100万只马达加斯加金色球虽然古怪并且非常让人吃惊，但却是华丽无比的黄色编织斗篷耗时8年，由超过雌性蜘蛛吐出的丝编织而成，需要司的丝线。23000只蜘蛛才能吐出1盎概述了对蜘蛛的矛盾观点：一方面因为它们是噩梦和恐怖电影的主角，另一方面却欣赏于蜘蛛网的诗意和美丽。蜘蛛丝的理化性质与蚕丝相比，具有非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝纤维与强度最高的碳纤维及高强合纤Aramid、Kelve，等强度相接近，但它的韧性明显优于上述几种纤维。因此，蜘蛛丝纤维在国防、军事（防弹衣）、建筑等领域具有广阔应用前景。自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右，是真正的纯天然纳米纤维。一根多粗的蜘蛛丝足以拦下一辆以时速300至400公里行驶的赛车？如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索，那么它可以吊起上千吨重的物体，其强度可与钢索相媲美。而一根铅笔答案是，一毫米粗的蜘蛛丝。粗的蜘蛛丝可以拦住一架波音747飞机。大自然的奇迹世上最坚固的蜘蛛网向大自然学习—强韧的蜘蛛丝研究发现，蜘蛛丝是由β-sheet和非晶相构成，其中β-sheet间由氢键结合。我们都知道，氢键是弱化学键，可以通过较小的应力就可使其断裂，那么为什么蜘蛛丝还有如此强的强度呢？MIT的研究人员发现，原来是β-sheet处于纳米尺度，这使得蜘蛛丝在应力作用下有独特的变形方式，使其克服了氢键的弱点。“throughnanoconfinement,acombinationofuniformsheardeformationthatmakesmostefficientuseofhydrogenbondsandtheemergenceofdissipativemolecularstick-slipdeformationleadstosignificantlyenhancedmechanicalproperties.”一项新研究发现蜘蛛丝，特别是用于固定蛛网的拖牵丝，其热导性能胜过大多数材料，包括硅、铝、纯铁等热的良导体。是蚕丝的1000倍、其他有机材料的800倍，蜘蛛丝的热导率为416W/m·K。而铜的值为401，皮肤组织的值为0.6。只有银、金刚石等少数材料比它更高。蜘蛛丝被拉伸时，热导率也会上升，蜘蛛丝拉伸20%，热导率也会提升20%。蜘蛛丝热导率可媲美金属这一性质来源于蜘蛛丝完美的分子结构，含有纳米晶的蛋白质以及连接蛋白质分子的弹簧形结构。蜘蛛丝的高热导性加上高强度高韧性，令它可能在柔性散热电子部件等领域发挥作用。蜘蛛网---未来抗飓风建筑物可以禁得起飓风的狂吹和捕食者的猛烈攻击！美国麻省理工学院科学家：利用蜘蛛网坚韧的特性设计可抗飓风和地震的未来建筑物。研究表明，蜘蛛网的质地之所以会如此坚韧：蜘蛛丝有非凡的强度、韧性、弹性；巧妙的设计，蜘蛛网最重要的特性是能够保持完整，丝线断裂后可变得更坚韧。这些特性可用于帮助研制一种牢不可破的新型材料，甚至设计安全的建筑物。当蜘蛛丝的一根丝被弄断了，蜘蛛可以做小修小补，而不是从头开始修补。从各个区域去除10%的丝线，蜘蛛网的韧性不但不会削弱，反而会增强10%。“蜘蛛网真正坚韧的部分不是丝，而是其机械性能如何随着张力而改变，这是一个井然有序的内置的功能。”蜘蛛丝包含两种类型的丝，一种是来自中心的坚硬、干性的丝，可将所有的丝凝聚在一起；另一种是更细更有粘性的丝，用于捕获猎物。这两类蛛丝都可以离开原来的位置而不折断。蛛网为什么不粘蜘蛛这一特性可以应用于设计虚拟网络，如互联网，在遭受攻击期间只有本地节点被破坏，而整个系统可继续运行。了解其微观的蛋白质结构和其宏观性质，可能有助于将碳纳米管串在一起，可能有一天会用于生产太空电梯。蜘蛛网包含了一系列的功能，无需做重大修理：蜘蛛丝本身可自动软化或变硬，以承受负载在它上面的不同类型的物体。蜘蛛丝的集水“多协同效应”有雾的早晨，蜘蛛网会闪闪发光，这表明它们能以很高的效率从潮湿空气中收集水滴。中科院化学研究所研究人员的研究结果显示，这种能力取决于蜘蛛网湿了之后所发生的一个结构变化。“湿后重构”的纤维以周期性纺锤节为特征，由随机的纳米纤维构成，被排列整齐的纳米纤维节点分隔开。这种结构在纺锤节和节点之间产生一个表面能量梯度，并在作用在与纺锤节或节点相接触的水滴上的压力上产生一个差别。这样可以确保水能在节点周围不断凝结，然后被输送到纺锤节上，在那里它能积聚成悬挂起来的大水滴。这个蜘蛛丝的集水“多协同效应”机制，将启发科学家们设计微流体中的新型的微流控表面；设计大规模的人造纤维网以收集空气、雾气中的水，来供给水源缺乏地区人们的需求等。2013年9月，美国佛罗里达州立大学研究人员最近在期刊NatureCommunications发表了一项利用蜘蛛丝蛋白结合碳纳米管而形成了一种线状纳米新材料。这种新材料具有高强度、可生物降解等明显优势，有望作为新一代生物医疗器械材料。天然蜘蛛丝主要来源于结网，产量非常低，而且蜘蛛具有同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖。所以要从天然蜘蛛中取得蛛丝产量很有限，日产量最多也就是几克而已。•美国一支科学家小组曾试着基因改良山羊，在羊奶中产生蜘蛛丝蛋白质。•使用合成基因诱导细菌产生丝蛋白来形成一种人造蜘蛛丝。十多年来，科学家们一直试图在实验室中批量重造蜘蛛丝，但