生物表界面表界面省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1 第八章第八章 生物表界面生物表界面生物世界为了适应复杂自然环境，表面形成了一套生物世界为了适应复杂自然环境，表面形成了一套复杂、复杂、多样、完善系统多样、完善系统.1）生物运动系统既能够使摩擦最小化，而在）生物运动系统既能够使摩擦最小化，而在另一个极另一个极端又能够使摩擦最大化；端又能够使摩擦最大化；2）对外界信息含有高灵敏感知性能）对外界信息含有高灵敏感知性能3）对能量利用含有高效性）对能量利用含有高效性啄木鸟脑壳有最紧密组织抗震骨骼；啄木鸟脑壳有最紧密组织抗震骨骼；蜘蛛丝有五倍钢铁硬度与延展性；蜘蛛丝有五倍钢铁硬度与延展性；蜂鸟飞行蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司能量；哩旅程耗費不到十分之一盎司能量；蝙蝠回音定位使用促進了雷达开发改进；蝙蝠回音定位使用促進了雷达开发改进；莲花效应有绝佳抗污性莲花效应有绝佳抗污性和疏水性和疏水性第1页21)1)生物表面与光学特征生物表面与光学特征生物表面与光学特征生物表面与光学特征 A 伪装（拟态）伪装（拟态）B 警戒色警戒色 C C 对光调控对光调控对光调控对光调控2）生物表面与粘附特征生物表面与粘附特征A自清洁效应自清洁效应B超级超级润湿性能润湿性能C摩擦减阻摩擦减阻3）微结构控制传感与传动微结构控制传感与传动4）生物软体材料(softmaterials)超级功效生物表面与界面感兴趣相关内容：生物表面与界面感兴趣相关内容：第2页31)1)生物表面与光学特征生物表面与光学特征生物表面与光学特征生物表面与光学特征A 伪装（拟态）；伪装（拟态）；B 警戒色；警戒色；C C 对光调控对光调控对光调控对光调控A 伪装伪装CamouflageB 毒蛙警戒色毒蛙警戒色Aposematic color图1第3页4图图图图2 2科学家发觉蝴蝶翅膀是天然科学家发觉蝴蝶翅膀是天然科学家发觉蝴蝶翅膀是天然科学家发觉蝴蝶翅膀是天然发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管图图3非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物光学显微图象光学显微图象C C 对光调控对光调控对光调控对光调控第4页Figure1.Morphologyandstructureoftheoriginalbutterflywingscales(PeleidesMorpho).(a)Aphotoofthebutterfly.(b)AlowmagnificationSEMimageofasinglebutterflywingscaleonsiliconsubstrateshowingthestripestructure.(c)Anopticalmicroscopeimageofthebutterflywingscalesfromthebluearea.(d)Thechematicofa“unitcell”onthelamellaethatresponsibleforthescatteredcolorfullight.(e)ASEMimagetakenonthescalesurfaceshowingthestructureofthelamella薄片.TheinsetisahigherresolutionSEMimageshowingtheperiodicnanostructuresonalamella.第5页6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)不一样放大倍数SEM丽金龟鞘翅紫外-可见光-红外反射图谱第6页7图图5荷叶荷叶 雨中荷花 宋杜衍玉井亭观荷 宋杨万里第7页图图4美洲蜥蜴（美洲蜥蜴（cabrite）在水上奔跑）在水上奔跑人水上奔跑人水上奔跑第8页128.1生物表面摩擦和粘附系统生物表面摩擦和粘附系统 8.2昆虫摩擦装置昆虫摩擦装置8.38.3抗粘附机制抗粘附机制本章主要内容本章主要内容第12页13生物表面与基质相互作用过程中，为了适应运动而形成一套运生物表面与基质相互作用过程中，为了适应运动而形成一套运动系统，其中包含由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷脂动系统，其中包含由纤维素、多聚糖、蛋白质、脂肪酸、磷脂等组成钩等组成钩、锁或卡、夹、锁或卡、夹 、垫、垫 、吸盘等粘附结构，该结构表面、吸盘等粘附结构，该结构表面含有微纳米有序微结构组成，其经过负压吸入、机械互锁、毛含有微纳米有序微结构组成，其经过负压吸入、机械互锁、毛细作用、分子粘附以及静电作用，使其与表面作用到达最大或细作用、分子粘附以及静电作用，使其与表面作用到达最大或者最小。者最小。生物表面粘附系统（掌握）生物表面粘附系统（掌握）生物表面粘附系统（掌握）生物表面粘附系统（掌握）第13页14增加摩擦系统(1)(1)植物表面复制机制植物表面复制机制 图8-10 藤蔓植物爬墙虎“吸管”a)连接在表面粘附装置 b)“吸管”8.1生物表面摩擦和粘附系统生物表面摩擦和粘附系统第14页15(2)(2)蜥蜴垫移动粘附蜥蜴垫移动粘附 蜥蜴(GeLko壁虎)脚上刚毛，内生表皮层上新刚毛形成三个阶段示意图 a)最初阶段 b)中间阶段 c)最终阶段 次末端区CLO-外表皮产生透明层 OBI-内表皮产生表皮层 TB-主要刚毛终端亚区分微刚毛是角质化表皮衍生物，它们长大约90微米，宽约为lO微米第15页178.2 8.2 昆虫摩擦装置昆虫摩擦装置鳞翅目昆虫足末节、头部制动系统、鳞翅类苍蝇口器腱膜，以及蝴蝶和双翼目蛾甲膜，往往都有摩擦装置 昆虫是表面动物 表皮微观结构作用a空气动力学表面作用 b)清洗身体作用 c)发声作用 d)磨碎食物 e)过滤装置 f)流体动力学表面作用 g)空气调整 h)控温 i)体色第17页181 1 昆虫附着装置原理昆虫附着装置原理 附着原理八种基本类型a)钩 b)锁或卡 c)夹 d)垫 e)吸盘 f)膨胀锚 g)粘性分泌物 h)摩擦第18页192.2.蜻蜓头部制动系统蜻蜓头部制动系统蜻蜓头制动系统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)后颈甲片上背部微刺 e)后颈甲片上腹部微刺f)头后部、头侧及脑区域微刺 a-前方向 d-后背方向 head-头 jt-关节 l-侧向 mfh-头后表面微刺区域 ta-支撑三角第19页20 甲虫翼锁装置 a)、b)拟步甲科昆虫后、侧胸廓区微刺 c)、d)赤拟合盗后、侧胸廓区微刺第20页21生物表面抗粘附机制（掌握）生物表面抗粘附机制（掌握）1）大多数植物和有些动物被疏水性表皮疏水性表皮覆盖疏水性表皮由聚酯基质中类脂组成聚酯基质中类脂组成2）表皮表面经常被细胞生长物表皮表面经常被细胞生长物(毛状体毛状体)、折痕所刻蚀或被蜡、折痕所刻蚀或被蜡晶体覆盖。疏水植物表面粗糙度会降低润湿性，与相同组成晶体覆盖。疏水植物表面粗糙度会降低润湿性，与相同组成光滑表面相比，水滴接触角更大光滑表面相比，水滴接触角更大3）污染植物表面颗粒比那些疏水蜡更易湿润。污垢通常都停滞在表面结构末端，以至于颗粒和植物表面间真正接触面积很小接触面积很小。这些颗粒轻易被表面滚下来水滴除掉。因为颗粒和植物表面间真实接触面积较小，颗粒和水滴间粘附将大于颗粒和植物表面间粘附。4）在光滑植物表面，污染颗粒和表面间真实在光滑植物表面，污染颗粒和表面间真实接触面积接触面积是足够是足够大，以至于大，以至于颗粒不会粘附到滚下水滴上颗粒不会粘附到滚下水滴上第21页22a)c)疏疏水水刻刻蚀蚀植植物物表表面面自自净净效效应应，在在粗粗糙糙表表面面上上，颗颗粒粒粘粘附附在在水水滴滴上上，然然后后被被水水滴滴从从表表面面除除掉掉d)-f)在在光滑表面上，污染颗粒因滚下来小水滴重新分布光滑表面上，污染颗粒因滚下来小水滴重新分布第22页图8水黾腿扫描电镜水黾腿扫描电镜SEM照片，照片，(b)无数细长微刚毛，无数细长微刚毛，20 m，(c)单根单根刚毛上精细螺旋状纳米凹槽结构，刚毛上精细螺旋状纳米凹槽结构，200nm图7水黾能在水面上支撑水黾能在水面上支撑水黾能在水面上支撑水黾能在水面上支撑1515倍于身体重量倍于身体重量倍于身体重量倍于身体重量 第23页24图图5荷叶荷叶 雨中荷花 宋杜衍玉井亭观荷 宋杨万里第24页25图7荷叶表面结构：由微米级乳突组成，乳突结构又由纳米级精细结荷叶表面结构：由微米级乳突组成，乳突结构又由纳米级精细结构组成（见右图）该表面为超疏水特征构组成（见右图）该表面为超疏水特征第25页26Figure.SEMimagesof(a)rapepollengrains,(b)thePTFE-encapsulatedpollengrainscombinedonthePTFE-basedcoating,(c)thedetailedstructureofaPTFE-encapsulatedpollengrain.(e)Photographofawaterdropletonthesuperhydrophobicsurface.第26页27第27页28中国国家大剧院国家大剧院建筑国家大剧院建筑“皮肤皮肤”采取玻璃和钛金属板饰面，在壳体采取玻璃和钛金属板饰面，在壳体外设置有喷淋系统。壳体外玻璃是防弹，外层还涂有一层纳外设置有喷淋系统。壳体外玻璃是防弹，外层还涂有一层纳米材料，当雨水落到玻璃面上时就像水滴落在荷叶上一样，米材料，当雨水落到玻璃面上时就像水滴落在荷叶上一样，不会留下水渍。同时，纳米技术还大大降低了灰尘附着力。不会留下水渍。同时，纳米技术还大大降低了灰尘附着力。仿生物表面抗粘附特征应用介绍（仿生物表面抗粘附特征应用介绍（了解）了解）第28页29英国简氏防务周刊等国外权威军事杂志披露，中国当前“汉”级改进型核潜艇和最新型093、094级核潜艇，因为采取一个“艇用外壳表面仿鲨艇用外壳表面仿鲨鱼皮技术鱼皮技术”，即采取仿生学原理制造、类似鲨鱼皮结构消声瓦，潜艇噪音能控制在110分贝左右。第29页30Fig.13SurfacestructureofSharkFig.14Simulatedsharkssurfacewasappliedonairplane.第30页31棕子棕叶表面条纹结构第31页32BioInfoCognoNano图图1.1 1.1 会聚科技会聚科技(ConvergingScience&Technologies）交叉融合示意图交叉融合示意图纳米科学和纳米技术生物领域，包含生物技术、生物医药及遗传工程信息领域，包含信息技术及先进计算和通讯认知领域，包含认知科学与认知神经科学设计、指挥和协调认知科学家能够想得到能够想得到纳米科学家能够做得到能够做得到生物科学家/人能够用得到能够用得到信息科学家能够监视和控制它监视和控制它1.会聚科技介绍会聚科技介绍第32页33NBIC会聚技术将带来什么？.人与人之间产生包含脑与脑交流在内高效通讯伎俩，社会群体有效地改进合作效能,提升人类本身能力；机器人变得具有些人类意识和性格而将对人类愈加有用；人脑和机器间快速、宽带界面将转变工厂工作，控制汽车，确保军事优势，实现新体育运动、新艺术形式和新人际交流方式。1.会聚科技介绍会聚科技介绍第33页