《仿生智能材料》PPT课件.ppt

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1、仿生智能材料仿生智能材料一、基本概念1、仿生材料1）定义：模拟生物结构或生物功能的材料。2）仿生材料学是化学、材料学、生物学、物理学 等学科的交叉。3）材料的仿生包括：模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、成分、结构仿生结构仿生；模仿生物体中形成材料的过程和加工制备过程和加工制备 仿生仿生；模仿生物体系统功能的功能仿生功能仿生。2、智能材料u智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激后，能够采取一定的措施进行适度响应的材料。u智能材料的构想来源于仿生，它的目标是研制出一种材料，使它成为具有类似于生物体所具有的各种功能的“活”的材料。u智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素u智

2、能材料的特点：1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外 界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、环境等；2）具有驱动功能，能够响应外界变化；3）能够按照设定的方式选择和控制响应；4）反应比较灵敏、及时和恰当；5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始 状态。u智能材料的构成（它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统复杂的智能材料系统）智能材料智能材料敏感材料敏感材料驱动材料驱动材料基本材料基本材料信息处理器信息处理器首选首选高分子高分子材料材料，因为，因为质量轻，耐质量轻，耐腐蚀；其次腐蚀；其次也可选也可选金属金属材料材料，以轻质，以轻质有色合金为主有色合金为主在一

3、定条件在一定条件下，可产生下，可产生较大的应变较大的应变和应力，但和应力，但负负响应和控响应和控制制的任务的任务担负担负传感传感的的任务，主要任务，主要作用是作用是感知感知环境的变化环境的变化（温度、湿（温度、湿度、压力、度、压力、pH值等）值等）3、仿生智能材料的设计思想生物智能化的设计理念多尺度结构效应的协调智能响应性分子的设计与合成异质界面设计弱相互作用双稳态协调效应仿生智能材料的设计思想可分解为如下五个层次：仿生智能材料的设计思想可分解为如下五个层次：4、仿生材料的制备方法仿生合成(biomimetic synthesis)一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成,即受自然界生物特殊结

4、构和功能的启示,模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计,以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料,或利用天然生物合成的方法获得所需材料。目前仿生材料的制备方法可简单地归纳为：结构仿生结构仿生：通过制备与生物结构或形态相似的 材料代替天然材料，如光子晶体材 料、仿生空心结构材料、仿生物骨 骼等。功能仿生功能仿生：直接模仿生物的独特功能获取所需 材料，如仿荷叶超疏水材料、仿 蜘蛛丝超韧纤维、仿贝壳高强材 料等。生生物物体体颜颜色色化学色化学色物理色物理色一般指通过生物体内所含有的一般指通过生物体内所含有的色色素对光的吸收素对光的吸收所引起的颜色所引起的颜色指光在生物体的亚微米结构中

5、的指光在生物体的亚微米结构中的反反射、散射、干涉或衍射射、散射、干涉或衍射所形成的颜所形成的颜色，也称色，也称结构色结构色。静态色静态色动态色动态色指那些在指那些在生长过程生长过程中形成的中形成的非随非随意可控意可控的颜色的颜色指那些指那些可随周围环境及条件变化可随周围环境及条件变化的颜色的颜色显色原理显色原理可变化性可变化性二、自然界中的结构颜色1、色彩斑斓的蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀的多重结构产生二元色 蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。仿蝴蝶结构仿蝴蝶结构 蝴蝶漂亮的双翅处理光线的原理竟与数码显示器蝴蝶漂亮的双翅处理光线的原理竟与数码显示器的原理相类似，

6、这为研究和设计新型光发射器具有重的原理相类似，这为研究和设计新型光发射器具有重要的意义。要的意义。2、孔雀羽毛的绚丽色彩 与薄膜干涉不同，孔雀羽毛的颜色策略非常精妙，小羽枝表皮下面的周期结构是羽毛结构颜色的起因（下图）它阐明了自然界调控色彩产生的巧妙机制，启发人类在控制色彩方面的新思路，如增加视觉或产生视觉干扰，甚至可能在未来的显示技术方面探索一条新路子。孔雀小羽枝的微观结构3、色泽鲜艳的蛋白石色泽鲜艳的蛋白石 蛋白石是由亚微蛋白石是由亚微米二氧化硅粒子以立米二氧化硅粒子以立方密堆积结构沉积形方密堆积结构沉积形成的矿物，其色彩缤成的矿物，其色彩缤纷的外观纷的外观与色素无关与色素无关，而是因为它

7、而是因为它几何结构几何结构上的周期性上的周期性使它具有使它具有光子能带结构光子能带结构，随着，随着能隙的位置不同，反能隙的位置不同，反射光的颜色也跟着变射光的颜色也跟着变化，因而出现美丽的化，因而出现美丽的颜色。颜色。模拟蛋白石的微观结构，可以人工合成类似蛋白石的结构，称为合成蛋白石。以SiO2、PS等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，等矿化后，通过煅烧、化学腐蚀等方法除去初始的SiO2或聚合物膜板，得到规则排列的空气孔，还可得到反蛋白石。蛋白石及蛋白石及反蛋白石反蛋白石实际上就实际上就是所说的是所说的光子晶体。光子晶体。光子晶体在生物、电子、环境、材料等多个领域都有光子

8、晶体在生物、电子、环境、材料等多个领域都有着十分广泛的应用前景。着十分广泛的应用前景。SiO2反蛋白石的SEM照片三、自然界中具特殊表面性能的生物体1、植物叶表面的自清洁性植物叶表面的自清洁性 1）荷叶效应）荷叶效应 在荷叶表面微米结构微米结构的乳突上还存在纳米结构纳米结构，这种微米微米结构与纳米结构相结合的阶层结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本结构是引起表面超疏水的根本原因原因，而且，如此所产生的超疏水表面具有较大的接触角及较小的滚动角。从(a)可看到，荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um。单个乳突又是由平均直径约为的纳米结构分支组成(b)。在荷叶的下一层表

9、面同样可以发现纳米结构，它可以有效的阻止荷叶的下层被润湿(c)。荷叶表面的ESEM照片 2）表面各向异性）表面各向异性 水稻叶表面具有类似于荷叶表面微/纳米结合的阶层结构，但在水稻叶表面，乳突沿平行于叶边缘的方向排列有序，而沿着垂直方向呈无序的任意排列，水滴在这两个方向的滚动角也不相同，其中沿平行方向为3-5，垂直方向为9-15。研究表明，水滴在水稻叶表面的滚动各向异性，是由于表面微米结构乳突的排列影响了水滴的运动造成的。2、在水面行走的昆虫在水面行走的昆虫水黾水黾 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，在水上稳定站立并可快速行走是利用腿部特殊

10、的微米与纳米相结合的结构效应来实现的。这一发现可用于新型防水纺织品的生产，也许有助于设计出新型水上交通工具。模仿水黾“水上漂”功夫的机器人3、在墙壁上行走的动物在墙壁上行走的动物壁虎壁虎 壁虎能在光滑的墙壁上行走自如，是由于它的每只脚底长着大约50万根极细的刚毛（长100um)，刚毛末端又有约4001000根更细小的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间距离非常近，产生“范德华力”。微米级阵列刚毛单根刚毛单根刚毛末端的放大仿生壁虎脚利用结构可控的直立型碳纳米管 阵列制成（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料(c)；自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈(d)。四、结论与展望 仿生智能材料自出现以来引起了人们的广泛关注。研究仿生智能材料的重要科学意义在于它将认识自然、模仿自然、超越自然有机结合，将结构及功能的协同互补有机结合，为科学技术创新提供了新思路、新理论和新方法，是知识创新的源泉。在智能仿生材料领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论为构筑仿生科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富生命科学、物质科学、信息科学、数学与力学、工程与技术以及系统科学等学科的研究内涵。智能仿生材料的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业等方面产生深远影响。