仿生智能納米材料是利用自然的仿生原理來設計合成的具有特殊優異性能的功能和智能材料。它是材料、化學、物理、生物、納米技術、先進制造技術、信息技術等多學科交叉的前沿研究熱點之一。仿生智能納米材料的設計、可控制備和結構性能表征均涉及材料科學的*前沿領域，代表了材料科學的*活躍方面和***的發展方向，它將對經濟、社會、科學技術的發展產生十分重要的影響。
《仿生智能納米材料》一書匯聚了作者多年來在該領域的研究成果，同時介紹了國內外同行**的研究進展。《仿生智能納米材料》圖文并茂、深入淺出，從具有特殊優異性能的生物原型材料入手，將仿生材料的設計理念、材料結構與功能關系、智能驅動原理及在生產、生活中的應用進行了系統的介紹。
《仿生智能納米材料》不僅對該領域的科研人員具有重要的參考價值，而且適用于對自然科學感興趣的大中學生。相信《仿生智能納米材料》會引起人們對仿生智能納米材料的廣泛興趣。
目錄
《納米科學與技術》叢書序
前言
第1章仿生智能納米材料概述1
1.1仿生納米材料的概念1
1.2仿生納米材料的智能性2
1.3仿生材料的研究內容3
1.3.1材料的仿生制備3
1.3.2結構仿生和功能仿生6
1.3.3仿生能源材料與器件12
參考文獻15
第2章仿生智能納米孔道19
2.1概述19
2.1.1生物孔道與仿生原理19
2.1.2仿生仿生固體納米孔道21
2.1.3仿生智能納米孔道響應性納米孔道24
2.1.4智能納米孔道及其功能化26
2.2納米孔道離子輸運特性基本理論28
2.2.1雙電層理論28
2.2.2納米孔中的電動效應29
2.2.3納米孔中的電動理論34
2.2.4納米孔器件37
2.2.5能量轉換39
2.3生物與仿生孔道體系42
2.3.1蛋白質孔道42
2.3.2仿生固體納米孔道（非響應性）45
2.3.3仿生智能納米孔道（響應性）45
2.4基于仿生智能納米孔道的先進能源轉換體系58
2.4.1基于納米孔道的機械能電能轉換59
2.4.2基于仿生智能納米孔道的鹽差能轉換63
2.4.3基于仿生智能納米孔道的其他先進能源轉換體系65
2.4.4結論與展望69
參考文獻69
第3章微流控芯片實驗室75
3.1微流控芯片實驗室技術的介紹75
3.2微流控芯片材料與制備技術80
3.2.1微流控芯片材料80
3.2.2硅、玻璃和石英微流控芯片的制備技術82
3.2.3高分子聚合物微流控芯片的制備技術87
3.3微流控芯片中微流體的控制技術91
3.3.1微流體的驅動與控制技術91
3.3.2進樣與樣品預處理技術94
3.3.3微混合微混合與微反應微反應技術98
3.4微流控芯片的檢測技術103
3.5微流控芯片的應用104
3.5.1在核酸研究中的應用104
3.5.2在蛋白質研究中的應用105
3.5.3在離子和小分子研究中的應用106
3.5.4在細胞水平上的應用107
3.5.5在細胞全分析中的應用109
參考文獻110
第4章仿生表面梯度材料116
4.1生物表面生物表面的梯度梯度特征與功能116
4.1.1潤濕蜘蛛絲蜘蛛絲的方向集水性集水性116
4.1.2超疏水蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀的方向性黏附方向性黏附121
4.1.3微液在荷葉表面動態懸浮和微納米結構潤濕性梯度潤濕性梯度125
4.1.4荷葉葉緣限流128
4.1.5階梯階梯鋸齒的超順磁微滴行為的各向異性各向異性133
4.1.6沙漠甲蟲甲蟲取水136
4.1.7水黽腿水黽腿的疏水結構137
4.1.8水鳥啄食的毛細毛細棘輪效應138
4.1.9非對稱非對稱的納米結構與液滴定向鋪展定向鋪展139
4.1.10植物植物中水的運輸遵循Murray定律140
4.1.11樹木集水方式140
4.2典型梯度表面的可控制備141
4.2.1傾斜幾何梯度幾何梯度表面的制備141
4.2.2曲率粗糙梯度曲率粗糙梯度纖維的制備152
4.2.3類甲殼蟲異質圖案異質圖案的表面163
4.2.4類水黽腿表面的**超疏水性165
4.2.5小結168
參考文獻168
第5章仿生智能人工肌肉172
5.1引言172
5.2形狀記憶合金與聚合物173
5.2.1形狀記憶合金173
5.2.2形狀記憶聚合物178
5.3電活性聚合物184
5.3.1介電彈性體184
5.3.2納米碳材料驅動器190
5.3.3導電聚合物導電聚合物197
5.3.4離子聚合物金屬復合物離子聚合物金屬復合物209
5.4非電場響應的聚合物及其復合材料216
5.4.1熱、光致形變聚合物216
5.4.2濕度誘導形變聚合物濕度誘導形變聚合物220
5.4.3生物分子人工肌肉生物分子人工肌肉223
5.5本章小結226
參考文獻226
第6章仿生結構納米材料238
6.1引言238
6.2仿生高強超韌層狀復合材料復合材料——貝殼珍珠層239
6.2.1貝殼珍珠層的組成與結構240
6.2.2貝殼珍珠層層狀結構的增韌機制242
6.2.3貝殼珍珠層層狀結構的仿生制備243
6.3天然多級蜂窩形多孔材料多孔材料248
6.3.1云杉等木材中的蜂窩型結構249
6.3.2松質骨蜂窩型結構250
6.3.3玻璃海綿多孔結構252
6.3.4鳥類喙蜂窩型結構256
6.4天然多級多尺度多尺度復合材料261
6.4.1海洋生物扭曲夾板纖維復合結構261
6.4.2密質骨類多級復合結構材料263
6.4.3牙齒釉質多級復合結構材料266
6.5仿生空心結構材料267
6.6結論與展望268
參考文獻268
第7章仿生纖維材料273
7.1引言273
7.2天然生物纖維274
7.2.1植物纖維274
7.2.2動物纖維279
7.3人造纖維材料284
7.3.1制備方法284
7.4靜電紡絲法制備仿生納米纖維材料及應用285
7.4.1靜電紡絲技術簡介285
7.4.2仿生制備單根纖維286
7.4.3仿生制備有序纖維結構291
7.4.4電紡纖維性質及應用293
7.5總結與展望297
參考文獻297
第8章仿生自修復材料304
8.1仿生自修復材料簡介304
8.2高分子材料自修復概念的發展305
8.3**代和第二代自修復高分子材料306
8.3.1**代自修復高分子材料306
8.3.2第二代自修復高分子材料307
8.4基于可逆化學鍵的自修復高分子309
8.4.1基于可逆共價鍵可逆共價鍵的自修復高分子309
8.4.2基于可逆非共價鍵可逆非共價鍵的自修復高分子312
8.5基于其他機理的自修復高分子314
8.6自感應型自修復高分子的發展316
8.7自修復高分子研究展望318
8.8自修復無機材料319
8.8.1自修復金屬材料自修復金屬材料319
8.8.2自修復無機非金屬材料自修復無機非金屬材料320
8.9仿生自修復材料的應用前景322
參考文獻322
第9章仿生智能光電轉換材料與器件327
9.1生命中的光能利用系統327
9.2仿生能量轉換材料的設計思路329
9.3智能納米孔道在能量轉換中的應用332
9.3.1模仿電鰻魚——將化學能轉換為電能332
9.3.2模仿綠葉——將光能轉換為化學能335
9.3.3模仿菌紫質——將光能轉換為電能337
9.4仿生微納米結構光電功能材料340
9.4.1染料敏化太陽能電池的工作原理340
9.4.2染料敏化太陽能電池器件的組成部分342
9.4.3微納米多尺度結構在染料敏化太陽能電池中的應用344
9.5展望354
參考文獻354
第10章生物能源357
10.1生物質與生物能源轉化357
10.1.1生物能源概念357
10.1.2生物質的能源利用方式與轉化357
10.1.3生物能源的意義360
10.2生物能源生物轉化技術360
10.2.1生物乙醇360
10.2.2生物丁醇372
10.2.3厭氧消化產沼氣377
10.2.4生物制氫383
10.2.5微生物燃料電池388
參考文獻393
第11章仿生傳熱、隔熱材料396
11.1強化傳熱材料396
11.1.1沸騰傳熱沸騰傳熱396
11.1.2特殊浸潤性表面的冷凝傳熱421
11.2高效隔熱材料隔熱材料431
11.2.1隔熱材料的分類431
11.2.2多空腔多空腔纖維/管材料432
11.2.3具有多尺寸內部結構的零維微/納米材料442
11.2.4氣凝膠氣凝膠453
參考文獻464
索引474
第1章仿生智能納米材料概述
1.1仿生納米材料的概念
隨著生產和科學技術發展的需要，人們已經深刻地認識到生物系統是開辟新技術的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術思想、設計原理和創造發明的源泉，這就是仿生學的基本思想。但是，直到20世紀60年代，在美國召開的**次仿生學會議上，美國科學家斯梯爾（JackEllwoodSteele）根據拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有的性質”的意思)把新興的科學命名為“Bionics”(1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學”)，這標志著仿生學作為一門獨立的學科正式誕生。仿生學仿生學是通過研究模仿生物系統原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似于生物系統特征的科學。簡言之，仿生學就是模仿生物的科學，是研究生物系統的結構、性質、原理、行為及相互作用，為材料、工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的綜合性科學。仿生學將可能為人類提供*可靠、*靈活、**效、*經濟的技術系統。依據仿生學原理，模仿生物各種特點或特性而制備的材料，稱為仿生材料仿生材料。
在仿生科學發展的同時，納米科技不斷發展，各種表征技術相繼問世，人們可以直接對原子、分子進行加工，精確控制結構，組裝構造復雜的物質和器件。科學家對生物構造、運動方式、感知與調控等方面的深入了解，發展了現代新的仿生技術。研究表明，自然界中生物體具有的這些優異的結構和功能均是通過由簡單到復雜、由無序到有序的多級次多級次、多尺度多尺度的組裝而實現。這些仿生技術大致為三個層次上的仿生：一是宏觀尺度上的，如飛機的流線型是模仿鳥在沖刺狀的形態；二是微納尺度上的，如模擬芒刺表面的倒鉤發明尼龍搭扣，模擬貝殼的層狀納米結構制得摔不碎的陶瓷；三是分子尺度上的，如模擬性引誘激素的化學結構制備了捕殺森林害蟲舞毒蛾的殺蟲劑。在人類發現并認識生命現象中諸多微觀結構、功能以及生態系統關聯的基礎上，仿生學為人類的創造力增添新的無窮動力和源泉。向自然界學習，向生物學習，利用新穎的受生物啟發而來的合成策略和源于自然的仿生原理來設計合成具有特定性能的納米材料是近年來迅速崛起和飛速發展的研究領域，加快了現有學科的交叉發展和催生充滿活力的新興邊緣科學，而且已成為材料、化學、物理、生物、納米技術、制造技術、信息技術等多學科交叉的前沿熱點之一，為人類社會生產的發展和科學文明的進步做出了巨大的貢獻。
1.2仿生納米材料的智能性
材料根據其側重的方面不同一般分為結構材料和功能材料兩大類。結構材料主要要求其機械強度，而功能材料側重于其特有的功能。1989年，日本高木俊宜教授將信息科學融入材料的結構和功能特性，提出了智能材料智能材料（intelligentmaterials）的概念。智能材料是指具有感知、響應并具有功能發現能力的新材料。智能材料集感知、驅動和控制三種職能于一身。因此，智能材料系統具有或部分具有如下的智能功能和生命特征。
（1）傳感功能。能夠感知外界或自身所處的環境條件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化。
（2）反饋功能。可通過傳感網絡，對系統輸入與輸出信息進行對比，并將其結果提供給控制系統。
（3）信息識別與積累功能。能夠識別傳感網絡得到的各類信息并將其積累起來。
（4）響應功能。能夠根據外界環境和內部條件變化，適時動態地作出相應的反應，并采取必要的行動。
（5）自診斷功能。能通過分析比較系統目前的狀況與過去的狀況，對諸如系統故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。
（6）自修復功能：能通過分繁殖、自生長、原位聚合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。
（7）自調節功能：對不斷變化的外部環境和條件，能及時地自動調整自身結構和功能，并相應地改變自己的狀態和行為，從而使材料系統始終以一種優化方式對外界變化作出恰如其分的響應。
智能材料通常不是一種單一的材料，而是一個材料系統；或者確切地說，是一個由多種材料通過有機的緊密復合或嚴格的科學組裝而構成的材料系統。智能材料的設計思想是材料的多功能復合功能復合和仿生設計仿生設計。科學家通過仿生手段來設計材料，使材料和系統達到更高的層次，使其成為具有自檢測、自判斷、自結論、自指令和自執行功能的新材料。智能材料發展的突出特點是基礎研究和應用研究密切結合、仿生技術與納米技術密切結合。目前，仿生智能納米材料的研究從結構構思，到新制法及智能器件的開發等方面在世界范圍內已引起了眾多科學工作者的密切關注[1]。例如，仿荷葉表面微結構和性能的自清潔界面材料、仿貓前爪墊功能和蜘蛛網柔順結構及其性能的更為安全的輪胎、仿鯊魚皮表面棱紋微結構的低能耗飛機外殼涂層、模仿烏賊等動物的變色機制制成的“智能玻璃”、仿貝殼結構的輕質高強材料、仿綠葉光合作用的能源材料與器件等。
智能材料在不同的領域具有不同的特點和應用，在現代醫學領域可用于人造肌肉、人造皮膚、人造器官、藥物輸送等；在軍事領域可用于艦艇，以抑制噪聲傳播，提高飛機、潛艇和軍艦的隱身性能；在日常生活方面可用于機動車輛，以提高車輛的性能和乘坐的舒適度，可用于隨心所欲變換顏色的住宅。“向自然學習”是新型高性能納米復合結構材料發展的重要思路，通過研究生物結構與功能的內在聯系指導開發新型功能材料已經成為仿生材料設計與制備的重要新興前沿課題。近年來，世界主要發達國家（如美國、俄羅斯、英國、日本等）均致力于研究仿生材料，已經取得了突破性進展，其中以美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA）的仿生材料技術尤為領先。這些國家在仿生方面的研究成果已被應用于航空航天、軍事、工業等領域，創造了巨大的經濟效益和社會效益。我國也非常重視仿生新材料與器件的研究，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中明確提出將“智能材料與結構技術”列為新材料技術中的首要發展方向。
1.3仿生材料的研究內容
自然界中的動物和植物經過45億年優勝劣汰、適者生存的進化，形成了獨特的結構與功能，其不僅適應了自然而且達到了近乎完美的程度，實現了結構與功能的統一，局部與整體的協調和統一。人們試圖模仿動物和植物的結構、形態、功能和行為，并從中得到靈感來解決所面臨的科學、技術問題。道法自然，向自然學習，是原始創新科學研究的源泉，是創造新材料和新器件的重要途徑，一直在推動著人類社會的發展和文明的進步。近年來，仿生材料飛速發展，仿生材料的研究范圍非常廣泛，包括生命體系從整體到分子水平的多層次結構，生物組織形成各種無機、有機或復合材料的制備過程及機理，材料結構、性能與形成過程的相互影響和關系，以及利用獲取的生物系統原理構筑新材料和新器件。下面將主要從材料的仿生制備仿生制備、結構仿生結構仿生和功能仿生功能仿生，仿生能源材料與器件三方面介紹仿生材料的研究內容。
1.3.1材料的仿生制備
自然界的生物材料不僅在納米范圍內有序，在不同長度或空間范圍內也都規則排列，如哺乳動物的骨骼、肌肉組織、皮膚組織、神經組織，軟體動物的外骨骼貝殼，昆蟲的外骨骼幾丁質，鳥類的蛋殼等。生物組織結構的這種組裝有序具有目的性和功能驅動性。生物體總是從分子/生物大分子自組裝形成細胞器/細胞、細胞間相互識別聚集而形成組織、從組織再到器官、*后形成單個的生物體，甚至生物個體的生存也依賴于群體中的個體通過一定的識別/自組織/協同等作用，也就是說，復雜功能的實現大多經過從小到大的多尺度分級有序的自組織/協同過程。從生物分子有序的自組裝現象，材料學家得到了啟發，提出了自下而上的從基本單元合成一系列新型納米材料的方法——自組裝技術。所謂自組裝，是指基本結構單元(分子、納米材料、微米或更大尺度的物質)自發形成有序結構的一種技術[2]，是若干個體之間同時自發地發生關聯并集合在一起形成一個緊密而又有序的整體。在自組裝的過程中，基本結構單元在基于非共價鍵的相互作用下自發地組織或聚集為一個穩定、具有一定規則幾何外形的結構。自組裝過程并不是基本結構單元的簡單疊加，而是一種整體協同作用。自組裝過程中分子識別取決于基本結構單元的特性，如表面形貌、形狀、表面功能團和表面電勢等，組裝的*終結構具有**的自由能。研究表明，內部驅動力是實現自組裝的關鍵，包括范德華作用力、氫鍵、靜電力等只能作用于分子水平的非共價鍵力[3-8]和那些能作用于較大尺寸范圍的力[9，10]，如表面張力、毛細管力等。
科學家們一直致力于通過自組裝的途徑獲得各種尺度且具有規則幾何外形的納米材料聚集體，并期望實現不同于單體的優異物理、化學性能。從分子到宏觀物體的各種不同尺度下的自組裝體系，即自下而上的自組裝，特別是介于分子與宏觀物體之間的介觀尺度上的自組裝是近年來剛剛興起的研究熱點。例如，研究人員以DNA雙螺旋結構編碼的蛋白質及其復雜衍生物為單位進行自組裝，構筑微米、厘米乃至更大尺度的、具有規則幾何外形的聚集體[11-17]。因此，以納米結構為單元，通過自組裝技術將其自組裝為各種分級有序結構（納米或微米尺度上的有序結構）的材料，為我們將功能材料按照理想方式組裝成高度有序的結構提供了一條有效的途徑，并且為微器件的研究提供了新的機遇[18-20]。這方面的研究主要包括納米材料的自組裝和模擬生物礦化過程進行多尺度結構的構筑。
1.納米材料的自組裝自組裝
納米材料的自組裝主要包括零維納米粒子、一維納米材料和二維納米材料等的自組裝。在零維納米粒子的自組裝方面，穩定的膠體納米粒子單分子層薄膜通常用作自組裝制備分級有序結構的研究對象，在納米粒子的表面進行單分子層（如硫醇等）修飾，通過分子間氫鍵或粒子間的相互作用來誘導自組裝，形成尺度均一的聚集體。值得一提的是，二元體系的納米粒子自組裝受到了研究人員的廣泛關注，將兩種不同材料的納米粒子自組裝為二元超晶格結構，為將不同納米粒子自組裝為化學組成和粒子位置可控的聚集體提供了可能[21-25]，這種自組裝方法對設計具有新性質的納米尺度材料有重要的意義。對于一維納米材料的自組裝，報道集中在液體輔助下的自組裝，即利用液體的界面張力、毛細管作用力或者納米材料本身不同的親疏水性進行自組裝。例如，作者課題組提出利用水滴鋪展法有效地將一維碳納米管陣列膜自組裝為三維微米尺度的圖案化陳列表面[圖1.1(a)～(c)][26]。一維納米材料的自組裝還可以通過模板誘導，或納米材料本身不同的電學性質來實現。例如，王中林課題組[27，28]根據沿(001)方向生長的ZnO納米帶兩側具有不同電性，在靜電力的誘導下，一維納米帶自組裝成三維右手螺旋狀結構。在此基礎上，作者課題組發現在溫和的溶液反應中，反應生成的氧化鋅納米棒會自組裝成花狀聚集體，并且在靜電力的誘導下，*終會自組裝為納米管的花狀聚集體[圖1.1(d)～(f)][29]。另外，通過晶體的分步成核和生長，可以構筑復雜的多尺度分級有序的微納米結構及圖案化材料[30]。二維納米材料的自組裝，特別是隨著石墨烯的研究發現，以具有優異特性的石墨烯二維材料與其他各種材料（如高分子、無機納米材料等）組裝一直是研究人員制備高性能復合材料的一個重要方向。
圖1.1激光誘導的水滴鋪展法自組裝圖案化陣列碳納米管膜表面(a)～(c)，靜電作用力誘導的自組裝氧化鋅納米花狀結構(d)～(f)，以及模擬生物礦化過程制備的多尺度材料(g)～(i)。
2.生物礦化生物礦化制備納米材料
生物礦化(biomineralization)是指在生物體系中具有特殊高級結構和組裝方式生物礦物的形成過程。生物礦化包括兩種形式：一種是正常礦化，如骨骼、牙齒和貝殼等的形成；另一種是異常礦化，如結石、牙石和齲齒等的形成。生物礦化作用區別于一般礦化作用的顯著特征是，它通過有機大分子和無機物離子在界面處的相互作用，從分子水平控制無機礦物相的析出、生長，從而使生物礦物具有特殊的高級結構和組裝方式。
將生物礦化的機理引
……
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