第八章 生物表界面

1管自生第八章生物表界面南京工业大学材料学院二○一一年五月2

第八章生物表界面※生物世界为了适应复杂的自然环境，表面形成了一套复杂的、多样的、完善的系统.

1）生物运动系统既可以使摩擦最小化，而在另一个极端又可以使摩擦最大化；2）对外界信息具有高灵敏感知性能3）对能量的利用具有高效性啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼；

蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性；

蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量；

蝙蝠的回音定位使用促進了雷达开发改进；莲花效应有绝佳的抗污性和疏水性南京工业大学材料学院管自生31)生物表面与光学特性

A伪装（拟态）B警戒色

C对光的调控2）生物表面与粘附特性

A自清洁效应B超级润湿性能C摩擦减阻3）微结构控制传感与传动4）生物软体材料(softmaterials)的超级功能奇妙的生物世界独特的微纳米结构南京工业大学材料学院管自生4独特的微纳米结构

罗马花椰菜：拥有黄金螺旋混沌图案南京工业大学材料学院管自生5南京工业大学材料学院管自生6ResearchersattheMassachusettsInstituteofTechnology(MIT),US,havecopiedthestructureofabeetle'swingstomakesurfaceswithhydrophilic/superhydrophobicpatterning.Theartificialsurfacescouldhaveapplicationsinwaterharvesting,controlleddrugrelease,open-airmicrochanneldevicesandlabs-on-a-chip.NanostructuredsurfacemimicsNamibdesertbeetle8毛丽金龟数码照片及其鞘翅表面微结构图(A)数码照片；（B）、（C）和(D)不同放大倍数的SEM丽金龟鞘翅紫外-可见光-红外反射图谱南京工业大学材料学院管自生9

甲虫的翼锁装置a)、b)拟步甲科昆虫的后、侧胸廓区的微刺c)、d)赤拟合盗的后、侧胸廓区的微刺南京工业大学材料学院管自生10显微镜下的奇妙世界

昆虫复眼这张扫描电子显微照片的放大率达到了5653倍，显示了不明昆虫复眼的表面、露在外面的光感受器细胞、支持细胞、色素细胞，色素细胞构成了复眼的六边形单元(小眼)。蚊子的触须这张扫描电子显微照片显示了“柄节”(scape)或蚊子左侧触须的第一个片断，放大率为500倍。注意，位于触须中央部位的是一个凹面，柄节的第二个片断—茎梗在此与其他片断相连。柄节周围的葡萄外形的小眼是复眼的功能单元。南京工业大学材料学院管自生12蜻蜓头部制动系统蜻蜓的头制动系统a)头-颈关节示意图b)后颈部甲片侧视图c)头部右侧微刺区d)后颈甲片上背部的微刺e)后颈甲片上腹部的微刺f)头后部、头侧及脑区域的微刺a-前方向d-后背方向head-头jt-关节l-侧向mfh-头后表面的微刺区域ta-支撑三角南京工业大学材料学院管自生131)生物表面与光学特性A伪装（拟态）；B警戒色；C对光的调控A伪装CamouflageB毒蛙警戒色Aposematiccolor

图1南京工业大学材料学院管自生14高超的动物伪装艺术奇特鸟类伪装成树皮趴在松树皮上的蝉《美国国家地理》摄影记者拍到的这些高超的动物伪装技巧，令人感叹生命之灵气。你能看出这些有趣而高超的伪装吗？三只枯叶蟾蜍聚集在几码之内，恍若从巴拿马森林里消失了似的。164.设想与展望实拍变色龙用长舌捕捉蟋蟀在澳大利亚墨尔本博物馆，一只变色龙正用舌头捕捉蟋蟀。变色龙为一种“善变”的树栖爬行动物，它能够随着周围环境的变化改变自己的身体颜色以隐藏自己，是自然界中的伪装高手。变色龙用长舌捕食时动作极快，每次只需1/25秒17水黾腿的扫描电镜SEM照片，(b)无数细长微刚毛，20μm，(c)单根刚毛上的精细螺旋状的纳米凹槽结构，200

nmNature,2004水黾能在水面上支撑15倍于身体的重量

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生物界的材料、组织和器官表现出奇异的想象和完美的功能，很重要的原因就是其独特的微纳米梯度结构，这是材料学家仿生的智慧源泉！198.1生物的表面摩擦和粘附系统

8.2昆虫的摩擦装置8.3抗粘附机制本章主要内容20生物表面与基质相互作用过程中，为了适应运动而形成的一套运动系统，其中包括由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷脂等组成的钩、锁或卡、夹、垫、吸盘等粘附结构，该结构表面具有微纳米有序的微结构组成，其通过负压吸入、机械互锁、毛细作用、分子粘附以及静电作用，使其与表面作用达到最大或者最小。生物表面的粘附系统（掌握）

21增加摩擦的系统(1)植物表面复制机制

图8-10藤蔓植物爬墙虎的“吸管”

a)连接在表面的粘附装置b)“吸管”8.1生物的表面摩擦和粘附系统

22(2)蜥蜴垫的移动粘附

蜥蜴(GeLko壁虎)脚上的刚毛，内生表皮层上新刚毛形成的三个阶段的示意图a)最初阶段b)中间阶段c)最后阶段次末端区CLO-外表皮产生的透明层OBI-内表皮产生的表皮层TB-主要刚毛终端亚区分微刚毛是角质化表皮的衍生物，它们长大约90微米，宽约为lO微米壁虎胶带

(GeckoTape)图一248.2昆虫的摩擦装置鳞翅目昆虫足的末节、头部制动系统、鳞翅类苍蝇的口器腱膜，以及蝴蝶和双翼目蛾的甲膜，往往都有摩擦装置昆虫是表面动物

表皮微观结构的作用空气动力学表面的作用b)清洗身体的作用c)发声作用d)磨碎食物e)过滤装置f)流体动力学表面的作用g)空气调节h)控温i)体色251昆虫附着装置的原理

附着原理的八种基本类型a)钩b)锁或卡c)夹d)垫e)吸盘f)膨胀锚g)粘性分泌物h)摩擦262.蜻蜓头部制动系统蜻蜓的头制动系统a)头-颈关节示意图b)后颈部甲片侧视图c)头部右侧微刺区d)后颈甲片上背部的微刺e)后颈甲片上腹部的微刺f)头后部、头侧及脑区域的微刺a-前方向d-后背方向head-头jt-关节l-侧向mfh-头后表面的微刺区域ta-支撑三角27

甲虫的翼锁装置a)、b)拟步甲科昆虫的后、侧胸廓区的微刺c)、d)赤拟合盗的后、侧胸廓区的微刺28生物表面的抗粘附机制（掌握）1）大多数植物和有些动物被疏水性表皮覆盖疏水性表皮由聚酯基质中的类脂构成2）表皮表面经常被细胞生长物(毛状体)、折痕所刻蚀或被蜡晶体覆盖。疏水植物表面的粗糙度会降低润湿性，与相同组成的光滑表面相比，水滴的接触角更大

3）污染植物表面的颗粒比那些疏水蜡更易湿润。污垢通常都停滞在表面结构的末端，以至于颗粒和植物表面间真正的接触面积很小。这些颗粒容易被表面滚下来的水滴除掉。由于颗粒和植物表面间的真实接触面积较小，颗粒和水滴间的粘附将大于颗粒和植物表面间的粘附。4）在光滑植物表面，污染颗粒和表面间的真实接触面积是足够大，以至于颗粒不会粘附到滚下的水滴上南京工业大学材料学院管自生29图5荷叶

一阵风来碧浪翻，真珠零落难收拾珠明浮盘戏，酒漾流杯晔——雨中荷花宋·杜衍——玉井亭观荷宋·杨万里抗粘附特性30

图3.21.荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细结构构成（见右图）。该表面为超疏水特性31a)—c)疏水刻蚀植物表面的自净效应，在粗糙表面上，颗粒粘附在水滴上，然后被水滴从表面除掉d)-f)在光滑表面上，污染颗粒因滚下来的小水滴重新分布南京工业大学材料学院管自生32仿生学行为仿生外形仿生结构仿生仿生材料制备及研究方法简介33悉尼歌剧院仿贝壳建筑物

建筑功能六角形組成的的蜂巢结构，既轻又坚固日本新干线车厢采用「铝蜂巢结构」此结构也用于机翼上34分子结构模板仿生材料仿生无机材料仿生高分子材料仿生纳米晶金属

生物组织模板DNA;蛋白质；氨基酸等病毒、细菌、动植物的器官（叶、枝干、腿、翅膀、羽毛等）

根据生物功能原理进行仿生制备水热合成法气相沉积法Sol-gel法35Spidersenses传感与传动蜘蛛网上的水珠原理仿生3637Structuresofdrycapturesilkofcribellatespidera,Low-magnificationenvironmentalSEMimageofperiodicpuffsandjointssurroundingtwomain-axisfibres.b,Magnifiedimageofpuffcomposedofcountlessnanofibrils.38a,EnvironmentalSEMimagesofperiodicspindle-knotslinkingwithslenderjoints.Theapexangleofspindle-knots(2β)isabout19°.Low-magnification(b)andzoomed(c)imagesshowthatthespindle-knotisrandomlyinterweavedbynanofibrils.d,e,Low-magnification(d)andhigh-magnification(e)imagesofthejoint,whichiscomposedofnanofibrilsalignedrelativelyparalleltothesilkaxis.39Artificialspidersilkthatmimicsthestructureandwatercollectioncapabilityofnaturalspidersilk.a,Opticalimageofspindle-knot/jointstructurewithperiodicityof394.6 ± 16.1 μm.b–d,SEMimagesofaspindle-knot(b),astretchedporousstructureonthejoint(c)andarandomporousstructureonthespindle-knot(d).e–j,Directionalwatercollectiononartificialspidersilk.Whentheartificialspidersilkisinmistat0 s,tinywaterdropsrandomlycondenseontheartificialspidersilkat7.708 s(e),andthendirectionallymovefromjointtospindle-knotwiththevolumeincreasingfrom7.955 sto8.717 s(f–j).40生物组织模板仿生41Fig.3.3.Schematicdiagramofthevirus-enabledsynthesisandassemblyofnanowiresasnegativeelectrodematerialsforLiionbatteries.

Virus-enabledSythesisandAssemblyofNanowiresForLithiumIonBatteryElectrodes

AngelaM.BelcherSCIENCEVOL31212MAY2006以分子组织为模板制备仿生材料42Fig.3.4.CharacterizationofthehybridnanostructureofAunanoparticlesincorporatedintoCo3O4nanowiresBC43Fig3.5.Two-dimensionalassemblyofCo3O4nanowiresdrivenbyliquidcrystallineorderingoftheengineeredM13bacteriophageviruses.(AandB)Phase-modeatomicforcemicroscopeimageofmacroscopicallyorderedmonolayerofCo3O4-coatedviruses.Digitalcameraimageofaflexibleandtransparentfree-standingfilmof(LPEI/PAA)100.5onwhichCo3O4viralnanowiresareassembledintonanostructuredmonolayerwithdimensionsof10cmby4cm.(D)CapacityfortheassembledmonolayerofCo3O4nanowires/Licellattwodifferentchargingrates.44HydrothermalsynthesisofZnOhollowspheresusingsphero-bacteriumasbiotemplate

ZhouHanetal.MicroporousandMesoporousMaterialsxxx(2006)321–326Fig3.6.FESEMimagesof(a)originalBacteriatemplate,withtheinsetofhighermagnification.(b–d)Bacteria/ZnOcore-shellspheresobservedunderdifferentmagnifications.(e)ZnOhollowspheresafterremovalofbacteriatemplatesbycalcinationat600C,withtheinsetofanindividualbrokenhollowsphere.以组织或者器官为模板，并最后烧掉模板制备仿生材料45Fig3.7.SEM-micrographsofbiomorphousSiOC/C-ceramicsafterpyrolysisat800C:(a)non-extracted,PMHS-infiltratedpineand(b)beech,(c)extracted,PMHS-infiltratedpineand(d)beech.(polymethylhydrosiloxane—PMHS).BiomorphousSiOC/C-ceramiccompositesfromchemicallymodifiedwoodtemplates,J.Euro.CeramicSoc.24(2004)479–487CordtZollfranketalGermany4646550℃800℃700℃Synthesisofhierarchicalmesoporoustitaniawithinterwovennetworksbyeggshellmembranedirectedsol–geltechnique

QunDongetal.MicroporousandMesoporousMaterials,2007,98,344–351原结构47Fig.3.8.Luffasponge.(a)LuffagourdTop-view.(b–d)SEMmicrographsoftheLuffaspongestruts,showingthemicrocellulararchitectureofthefibrousstructure.BiotemplatingofLuffacylindricaspongestoself-supportinghierarchicalzeolitemacrostructuresforbio-inspiredstructuredcatalyticreactorsAlessandroZampierietal.MaterialsScienceandEngineeringC,2006,26,130–13548Fig.4.Silicalite-1self-supporting(calcined)zeolitereplicaofLuffasponge(highlyconcentratedprecursorsolution,1-stepsecondarycrystalgrowth).(a,b)SEMmicrographsshowingthecontinuousbundlesofself-supportingzeoliticmicrorodswithhighaspectratio(>100).(c)Zeoliticmicrorods(closerview)onafracturedcross-sectionwithtexturalimprintingeffects(helicaltexture).(d)Externalfilmformingthezeolitescaffold(crystalsmorphologyandsizearedifferentcomparedtothecrystallitesoftheinnermicrorods).49图2.植物花粉具有多种梯度结构和形貌50Figure3.9TherepresentativeSEMimages(a-c)ofpollengrainscorrespondtocamellia-,rape-andsweet-potato-pollengrains,respectively,and(d)theschemeofpreparingpollen-templateSiO2hierarchicalstructureinasurfacesol-gelandsuccedentcalcinationprocess.

3.仿生材料及本课题组的研究现状简介51Figure3.10SEMimagesofthelily-pollen-templateSiO2replicasatdifferentmagnifications.(a)Low-magnificationSEMimage,(b)representativeSiO2replicaswithtwistandporousedgesbetweenmeshes,(c)detailedstructureoftheSiO2replicawithtwistedges.Guan,Z.S.andZhang,Y.J.ChineseChem.2007,(inpress)52Fig.3.11ZnOReplicas

5353图3.12红薯花粉的SEMZnO54Figure.SEMimagesof(a)rapepollengrains,(b)thePTFE-encapsulatedpollengrainscombinedonthePTFE-basedcoating,(c)thedetailedstructureofaPTFE-encapsulatedpollengrain.(e)Photographofawaterdropletonthesuperhydrophobicsurface.55图2科学家发现蝴蝶翅膀是天然发光二极管图3非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的光学显微图象

对光的调控ResearchersattheUniversityofOxford,UK,havediscoveredwhattheysayisthefirstexampleofanopal-typephotoniccrystalstructureinananimal.

57Figure3.18.Morphologyandstructureoftheoriginalbutterflywingscales(PeleidesMorpho).(a)Aphotoofthebutterfly.(b)AlowmagnificationSEMimageofasinglebutterflywingscaleonsiliconsubstrateshowingthestripestructure.(c)Anopticalmicroscopeimageofthebutterflywingscalesfromthebluearea.(d)Thechematicofa“unitcell”onthelamellaethatresponsibleforthescatteredcolorfullight.(e)ASEMimagetakenonthescalesurfaceshowingthestructureofthelamella薄片.TheinsetisahigherresolutionSEMimageshowingtheperiodicnanostructuresonalamella.南京工业大学材料学院管自生58ControlledReplicationofButterflyWingsforAchievingTunablePhotonicPropertiesbyAtomicLayerDeposition(ALD)TechniqueNano.Lett.2007,…JingyunHuangetalSchoolofMaterialsScienceandEngineering,GeorgiaInstituteofTechnologyZhejiangUniVersity,Hangzhou310027,P.R.China3.仿生材料及本课题组的研究现状简介59Figure3.19.Imagesofthealuminareplicasofthebutterflywingscales.(a)Anopticalmicroscopeimageofthealuminacoatedbutterflywingscales,ofwhichthecolorchangedfromoriginalbluetopink.(b)Alow-magnificationSEMi