化学仿生学课件

化学仿生学茅草与锯子2000多年前，鲁国有一个手艺高超的木匠，名叫鲁班，他被后人誉为木工的祖师爷。一日，君王命令他修建宫殿，并对其限以时日，在那个时候，锯子还没有出现，木匠伐木都用斧子。用斧子伐木，不仅速度慢、费力，而且切口不平整。眼看君王规定的工期越来越近，鲁班真是焦急万分，但又一筹莫展。一天，他带领众工匠上山伐木树，在山林中穿行时，鲁班的手指蹭过几楼丝茅草后，竟然被划开了严整的口子，顿时鲜血隐出，他觉得奇怪，一片柔弱的草叶怎么会有如此威力呢？经过仔细观察，他发现草叶子的边缘的形状，将铁条依样打磨，打磨后的细细铁条，果然神奇无比，伐树锯木飞快异常，随后，经过不断地改良，锯子终于诞生了。蝙蝠的回声定位与雷达4乌龟的龟壳与薄壳建筑龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。

乌龟与小提琴你知道小提琴是怎么发明的吗？这得从一个古老而美丽的传说讲起，它跟乌龟有关。两千多年前，在古埃及有一个叫美尔古里的音乐家。有一天，他在尼罗河边悠闲地散步，走着走着，突然踢到了一个什么东西，瞬时发出了一阵悦耳的声音。他低头一看，原来是一只乌龟。这时，美尔古里纳闷了：乌龟怎么能发出像乐器一样的声音呢？他带着好奇的心理，把乌龟拿回家，放在桌上仔细瞧瞧，后来他经过专心研究，发现了乌龟壳受振动而发音的原理，并仿照乌龟壳的外型制造了世界上第一把小提琴。当然，这时的小提琴还只是雏形。后来，在16世纪-18世纪，意大利的一些制琴师对早期小提琴进行材料和音阶上的调整，最终做成了现代小提琴的模样。

产品设计用户分析

蜂巢与散热器

有效散热节省材料坚固17你仔细观察过飞机的翅膀吗？它们看起来是不是很结实的？你知道吗？在飞机高速飞行的时候，飞机的翅膀都会发生“颤振”的现象，也就是说，飞机的翅膀会不由自主地振动，可别小看这种有害的振动哦，有时候，它会造成翼折人亡的惨剧。当我们人类正在为这个难题所困扰的时候，自然界里的昆虫们早在千百万年前，就发明了对抗颤振的方法。蜻蜓翅膀上的黑痣就是这方面的杰作。有人做过实验，如果把蜻蜓翅膀上的黑痣去掉，那么蜻蜓在飞起来的时候就会荡来荡去的。于是，人们根据蜻蜓翅痣的原理，在飞机翅膀上也设计了加厚的部分，这样就能消除颤振的危害。飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤Ⅰ.人工酶生物体内的成千上万种化学反应都是在酶的催化下进行的。酶催化反应的特点是在常温、常压下，在一个很复杂的混合体系中专一地、高效地、有条不紊地进行。其高效性就是指强大的催化能力。例如，同样是催化过氧化氢分解为水和氧气，过氧化氢酶的催化效率比一般无机催化剂高一千万倍。化学仿生学的任务之一就是仿照天然酶合成出人工酶。通过从生物体内分离出某种酶之后，研究清楚其化学结构和作用催化剂的催化机理，在此基础上设法人工合成这种酶或其类似物，用以实现相应的酶催化反应而制得相应的产品。在这方面已取得成果的例子有：人工制得了合成氨基酸的酶，也制得了消化蛋白质用的常见的酶等。在这方面，对固氮酶的研究是一项非常重要的工作。固氮酶是豆科植物根部产生的一种酶，它在常温常压下就可以使空气中的氮气与某些含氢物质发生反应，变成氨提供给植物作氮肥，因此，模拟固氮酶研究如获得成功，将是化学仿生学上的一个十分重大的成果。Ⅱ.仿生物膜仿生膜的研究，就是在充分了解和认识生物膜的组成、结构和功能，尤其是双磷脂层的结构和功能的基础上，设计与制造出与其组成或结构相似的仿生膜材料，模仿出生物膜的信息传输和识别功能。人工膜人工膜的特点:化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）细胞膜的结构特点仿生物膜蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白细胞膜的流动镶嵌模型：(1)脂双层形成框架；(2)蛋白质镶嵌其中；(3)具有动态特点选择性通透。仿细胞膜的应用细胞是构成生物体的结构与功能的基本单位，细胞由细胞膜、细胞质、细胞核构成。细胞膜是整个细胞的“忠诚卫士”，它担负着把关的重任。凡是细胞生长需要的营养成分，均可以通过细胞膜长驱直入；若是有害物质、多余成分，就会被死死拦在外面。细胞膜可真是细胞茁壮成长的“安乐窝”啊。人们设想，如能模拟细胞膜的这种输送、分离功能，合成一种高效、选择性强的分离膜，将会研制出一种物质分离、提纯更为快速的全新途径。这对于人类开发利用海洋资源，提取微量元素，海水淡化、污水处理等方面大有帮助。目前，科学家们正在研制一种新型的潜水面罩，它利用细胞膜的原理，可以将水中的氧气析出，如果研制成功，潜水员有望不用背着氧气瓶下水了。

海水净化装置：模拟生物膜选择性透过原理，对海水、污水进行净化获得纯净淡水。海水的淡化

以处理含酚的废水为例，当包含着氢氧化钠水溶液的油珠被放到含酚的废水里时，靠着表面活性剂的帮助，形成了一种所谓的表面活性剂液膜，把水和废水隔开，而废水中的酚却能很快地通过液膜“钻入”水珠，与氢氧化钠反应生成酚钠，再也不能“回去”了。这种反应不断地使酚的浓度降低到零，从而把废水中的酚和水高效、快速地分离开来。污水处理低能耗、低成本和单级效率高

室温下，特别适合于热敏物质的分离

应用广泛

装置简单，操作方便，不污染环境仿生膜的特点人工嗅觉嗅敏检测仪采集系统嗅敏元件放大系统报警系统报警系统电源嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料萤火虫与冷光萤火虫的特异功能是由它体内所含的荧光素、荧光酶和氧气相互作用的结果。荧光酶是一种蛋白质,是发光的催化剂,在它的作用下,荧光素便和氧气发生化学反应,形成氧化荧光素。在这个化学反应中,每氧化一个荧光素分子就发射出一个光子,因而反应所产生的能量全部以光的形式释放出来。

通过对萤火虫发光器的研究，分离出了荧光素和荧光素酶，弄清了萤火虫发光的奥秘；发明了既省电又明亮的日光灯和冷光源，广泛地应用于怕热、怕磁等工农业生产上。

萤火虫与冷光荷叶与自洁涂料荷叶面上有许多非常微小的绒毛和蜡质凸起物，雨水落在上面，铺不开、渗不进，只化作粒粒水珠滚落下来，顺道儿带走了荷叶表面的灰尘，从而使叶面始终一尘不染。灵光一闪，科研人员模仿荷叶的自净原理，开展防污产品的研究。这项技术将应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品。美国已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造，使驾车族不必再日日洗车。上海也已研制出具有自洁效应的纳米涂料，其干燥成膜过程中，涂层表面会形成类似茶叶的凹凸形貌，构筑一层疏水层。这样一来，灰尘颗粒只好在涂层表面“悬空而立”，并最终在风雨冲刷中流走了。仿生农药物竞天择，适者生存。草木面对病虫害的侵袭，并非束手就擒的无能之辈。新生的嫩芽是害虫的美餐，但有些害虫一经取食即自取灭亡，因为草木中潜藏着种种“秘密武器”，这被叫做“防卫素”；在遭受病虫攻击后，树木可生产种种抗生素，使病虫丧失生育和生存能力；有些植物还能分泌“光敏素”，害虫吃下这种含有光敏感素的枝叶会变得十分怕光，无法找到安身栖息的场所。和化学农药比较，植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能，而且不危及人畜，不损伤害虫的天敌，不污染环境。可见，模仿植物杀虫物质，开发仿生农药，是有无可估量的效益和前景的。使用化学合成的方法，模拟植物杀虫物质合成和分泌的基因切割出来，置入能高速增殖的单细胞生物体内，大量生产生物杀虫物质，提炼仿生农药，供应农业需求。

人工合成植物激素高等植物的生长发育是一个复杂的过程，一方面需要一定的外界条件的配合，另一方面还直接受体内激素的控制。植物激素都是植物身体自己合成出来的，只要很微小的浓度，就能够对植物的生长发育产生很大的影响。各种植物激素被陆续发现以后，科学家们就自然想到了人工合成植物激素，用来控制植物的生长。于是，有很多人工合成的植物激素应运而生。科学家们把这些人工合成的化学物质叫做植物生长调节物质。到现在，人工合成的植物生长调节物质已经有100多种。由于这些生长调节物质的应用，使农业有了新的发展。其中最为人熟知的就是矮壮素，它能使植物矮化、基杆变粗、叶片变密、根系深扎。同时还具有延缓种子萌发和改变植物开花期的本领。正是因为有了它，在隆冬季节里，人们才可以吃上温室里美味多汁的新鲜西红柿鲍鱼壳和新材料鲍鱼是一种单壳类软体动物，它们常常爬附在浅海低潮线以下的岩石上。在它的身体外边，包被着一个厚的石灰质的右旋的螺形贝壳，因为它的贝壳的形状像耳朵，所以，西方人把它的拉丁文名叫做“海耳”。科学家们发现：在显微镜下，鲍鱼壳是由一层层、一排排“砖头”砌成的，这些“砖头”是碳酸钙颗粒，它们相互交错，排成精细的“人”字形，形成了一种致密的连锁结构。根据这种结构，材料工程师们发明了全新的材料，这种特殊的聚合物的颗粒之间采用的就是鲍鱼壳的连锁结构，坚固无比。用这种新材料来制造电视机、电冰箱等家用电器的外壳，效果十分理想。

鲍鱼壳与超级水泥鲍鱼在长壳的时候，会不断地分泌出一种高强度的胶水，这种胶水含有一种特殊的糖蛋白，它能把所有的“砖头”牢牢地粘合在一起，就像一堵坚固的城墙。如果调皮的你把鲍鱼壳砸开一条裂缝，那么你就会看见一股糖蛋白胶水自动地流入裂缝中去，把外壳修补得完好如初。依照着鲍鱼壳中的糖蛋白成分，科学家发明出了“超级水泥”，它可以用来黏合墙板、门窗和屋顶，还可以用来粘接陶制的文物呢！最近，还有更激动人心的消息：骨科医生们正试图用“超级水泥”来为骨折的患者接合骨头！贝壳和新型陶瓷材料我国科学家经过研究发现，在贝壳里边，有一种特殊的矿物质，它能大大增强贝壳的强度和韧性，让它们“坚如磐石”。以前的陶瓷材料虽然有抗腐蚀、抗热等很多优点，可是它们的韧性非常差劲，于是，