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1、浅谈仿生纳米界面材料班级：电气03 学号：2010041068 姓名：朱兆芳摘要：本文通过对仿生纳米界面材料的起源的描述，具体阐述了生物界的荷叶效应的特异性能，影响因素，论述了科学家对此研究的理论成果。描述了目前研究人员制备仿生纳米界面的几种方法，及其可能应用。同时介绍了目前仿生纳米材料的一些研究成果，并展望了未来纳米界面材料对于人类生活可能带来的影响。关键词：仿生纳米界面材料 超疏水 超亲水鹰击长空，鱼翔浅底，雨打碧荷，花开深丛，经过数万年的进化，万物经过自然苛刻的考验，而获得了今天独特的性能，随着科学技术的进步，人们开始不断地师法自然，师法万物，探索其中的奥秘，应用其中的原理造福人类，仿生
2、纳米材料的研究亦应运而生。各个生物都有自己独特的性能，而拥有这种独特性能的奥秘往往在于生物体材料的结构以及构成，通过研究材料的物质结构而获悉其原理，并按照此原理制造一些材料使之具有生物的某种特殊特性，这就是仿生纳米材料的研究方法。而对于仿生纳米材料的研究方式也同样如此，科学家们对此进行了大量的研究，从中也收获颇丰。仿生纳米界面材料的研究最初源于荷叶效应，荷叶具有特异的性能，表现出它具有超疏水性，即水在该表面的接触角很大，而滚动角很小，而且具有很强的抗污染能力，在很多植物甚至动物身上也发现了这种类似的特性。那么是什么性能使它具有如此特异的性能呢？研究人员发现，荷叶表面具有微米结构的乳突，而且乳突
3、上还具有纳米结构，荷叶表面还有植物蜡修饰，这种微米与纳米相结合的结构使得固，液界面形成气膜，在蜡与水的不浸润性的共同作用之下，使荷叶不被水浸润。其他植物表面的绒毛结构同样可以达到相同的效果，其主要利用绒毛对水滴的支撑使得水滴不浸润底部。而壁虎的脚同样具有自清洁性能，而这种自清洁性能与荷叶相似，都是利用灰尘更易于粘在水滴或其基底上而不是粘在荷叶表面或壁虎的脚上。研究发现，超疏水性与表面张力，表面粗糙度有关。表面自由能越大，接触角越大，而粗糙度则会增强表面湿润性，水滴在高接触角与低滚动角的表面更容易滚动且带走灰尘，即液滴在超疏水性固体表面具有高粘滞性。基于前面的理论，要制成超疏水性纳米材料，要先对
4、生物表面结构进行仿制，那么该如何制作超疏水性表面便成为关键的问题。根据超疏水性的影响因素，先要构造材料的表面粗糙结构，并进行表面修饰。荷叶具有超疏水性，但材料的浸润性则大大扩展，具有超疏水，超亲水，超疏油，超亲油四种特性，这是人们想到可以利用这四种性质进行多元组合，从而实现智能化的开关及分离材料的制备。要制得纳米材料的超疏水表面，自然想到激光或刻蚀法，比较简单的方法是用飞秒激光照射硅的表面，从而使硅表面具有了微米纳米的复合结构，然后用氟硅烷完成表面修饰。而溶剂非溶剂法同样可以制得，可以将聚丙烯溶解于溶剂与非溶剂的混合溶液中，在基底上加数滴聚丙乙烯溶液，在一定温度下聚丙乙烯蒸发，即可得凝胶状的多
5、空胶囊，最大接触角可达160。而等离子体法则更为广泛的应用于超疏水表面的制备。利用仿生智能纳米界面材料的疏水性与疏油性来制备超双疏表面，Badyal等人利用等离子体技术将疏水性的低表面能材料聚四氟乙烯处理为粗糙结构，然后在其上修饰含氟聚合物，从而得到双疏的聚四氟乙烯表面，现在已经可以用碳纳米管膜来制备表面经氟硅烷修饰的双疏的阵列碳纳米管膜，其与水与油的接触角分别可达171与161。超双疏材料的应用前景十分诱人，如果能够做成超双疏的纺织品，则未来我们的衣服就可以几乎不用洗了，它会长时间保持洁净。如果将它们应用在钢铁等物体上，则可以防止其锈蚀，从而大大减小因钢铁锈蚀而带来的经济损失。在不锈钢基底上
6、喷上聚四氟乙烯而制成的超疏水超亲油性物质则具有超疏水与超亲油的特异性能，它可以实现油水的分离。如果此技术进一步成熟的话，那么未来石油泄漏时，或许可以用油水分离网来实现石油的收集，从而避免了石油的浪费，海水的污染以及海生生物的死亡。它的应用当然远不止如此。待添加的隐藏文字内容3利用物体表面的亲水性与亲油性与外界环境相关，则可以制成智能化的开关。目前的应用有利用表面引发原子转移自由基聚合方法，在硅基底接枝温度响应性高分子薄膜，从而控制表面粗糙度，可以实现在窄的温度范围内的超疏水与超亲水性质之间的变化，这种热响应性超疏水与超亲水可逆的“开关”的温度响应性与表面修饰PNIPAAm薄膜有关，不同温度下它
7、的表面粗糙结构不同，温高时呈现亲水性能，温度低时呈现疏水性能。热响应性超亲水/超疏水可逆开关的应用必前程似锦，比如可以利用温度的不同，对药物进行靶向释放，从而杀死希望被杀死的细胞，这样大大提高了药物的利用效率，而且使药物对病人的副作用大大减小。近年来，仿生纳米界面材料取得了不断的进展。但我发现，在植物表面的研究上，自清洁性能或许不只与表面结构及表面修饰有关，而且与材料的构型或许也息息相关。有些植物叶片具有特殊的构型，不是一般的叶片的平面结构而是四周呈现波浪形，或许这不仅仅是为了增加光合作用的表面积，而且对于水滴的滚动也具有导向作用，它或许与植物的自清洁作用同样有关。仿生纳米界面材料在未来一定会
8、得到广泛的应用，它具有关阔的应用前景。在未来，我们可以穿上冬暖夏凉的衣服，而且衣服可以自动保持洁净，建筑的墙体与玻璃不用再用蜘蛛人来清洗，雕塑与钢铁等艺术品不会因岁月的逝去而随之黯然失色，或锈迹斑斑，可以持久的保持一新。总之，在未来，仿生纳米界面材料研究的商品化将使我们的生活发生翻天覆地的变化。研究仿生纳米界面材料具有重要的意义，它不仅使得人类积极学习大自然，揭开自然的神秘面纱，并且完善科学技术的理论体系，在此基础上不断创新，超越自然，将这些技术为人类所用，并研制出更多的功能材料，从而带动经济与生产力的发展，造福人类的生活，使人们的物质生活再上一个平台。参考文献：仿生智能纳米界面材料江雷 冯琳 著
