仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

从确定性到随机性的黏附接触理论

胶体、药物输运、细胞-病毒等体系中广泛涉及纳米颗粒与弹性固体表面之间的黏附相互作用.本文简要回顾了黏附接触理论的发展历史:已有的确定性黏附接触理论(如JKR,DMT等模型)预测,颗粒在低于临界分离拉力的作用下不会与基底分离,这一结论在颗粒特征尺寸减小到纳米尺度时不再适用.研究表明:当纳米颗粒与固体表面黏附的能量尺度接近环境热噪声的特征能量时,其界面黏附呈现出显著的尺寸效应和由此导致的随机性.基于经典的Kramers理论,建立了统计的黏附接触理论,将纳米颗粒与固体表面的黏附状态演化视为广义扩散过程,并用黏附寿命的概率分布描述黏附界面的相对强弱.两个纳米颗粒同时与弹性固体表面作用时,二者的黏附状态呈现明显的时空关联,可通过改变其中一颗粒的状态,间接调控另一颗粒的黏附寿命.     

天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展

大自然中的天然生物纤维材料通常具有成分简单、结构精细、高强高韧和低摩擦系数等特性,是新材料设计的灵感源泉.仿生纤维复合材料在现代工业中有广泛的应用.揭示生物纤维复合材料的纤维素纤维丝分布、角度和密度以及界面结构、结合方式与力学性能、摩擦磨损性能之间的相互关系及机理,对相关材料仿生具有重要指导意义.树木和竹子是典型的具有优异力学性能的生物纤维复合材料,广泛被应用于各种传统建筑和舰船部件.本文对以树木和竹子为典型代表的生物纤维复合材料,及其仿生复合材料的纤维特征、力学性能和摩擦磨损性能在近期研究进展进行了综述,以期为相关仿生高强度、耐磨复合材料的设计、制备提供参考.     

纳米生物医学成像表征与医学功能生物界面

基于微尺度(微/纳米)功能生物界面的成像与表征,集成并发展了以原子力显微镜、环境扫描电子显微镜等纳米源头技术为主导的,具有相互协同、验证、补充的多信息、多层次联合成像、表征及微加工设备功能群,实现了活体生物界面微尺度成像与表征方法学上的突破.进而,强调"医学功能界面"的概念,针对血管、骨和肿瘤相关医学功能界面,深入开展"微尺度构建-功能-力学耦合机制"研究.在此基础上,受血管内皮细胞为载体的血流/血液/血管相互作用功能界面的启发,实现黏附可控医学功能界面的仿生设计与制备;同时在中医"补气活血"理论的指导下,开辟"生物力药理学"这一新的交叉研究领域,强调生物力学因素在药理学研究和临床诊疗活动中的重要作用,建立可作为Biomarker另一类形式的临床样品微尺度力学参数指标,并倡导将"实验台/病床"双向引导的转化医学模式实施于诊断与治疗中.     

蝾螈足垫形貌特征及黏附机制

为探讨东方蝾螈足垫的黏附特性,本文分别进行了蝾螈的黏附实验研究及其足垫的微观形貌分析.黏附实验结果显示:东方蝾螈能够黏附在超过90°的光滑干或湿的玻璃表面上,整体显示出较强的剪切抵抗能力,与蝾螈亚成体相比,蝾螈幼体表现出更强的垂直黏附效率.形貌分析结果显示:蝾螈亚成体的足垫表面存在大量的黏液腺孔,表皮细胞间存在窄裂缝,而蝾螈幼体的足垫表面黏液腺孔稀少,表皮细胞(大小约29?m)排列紧密,细胞被明显的凸起边界(宽度337±82 nm,高度180±55 nm)围绕.蝾螈亚成体和幼体的足垫表皮细胞表面均被一层尖端呈半球形的纳米柱阵列覆盖,纳米柱被小沟槽围绕.纳米柱的数量密度约为60个/?m2,其高度和宽度相当,约为160 nm,对应约1.0的高宽比.纳米压痕测试显示:蝾螈足垫表面较软,其有效弹性模量约为564.8±239.1 k Pa.基于黏附实验及形貌分析结果,文章重点讨论了足垫形貌特征与其相适应的黏附机制.本研究可为新一代仿生水下黏附材料的开发提供新颖的启发.     

大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究

对水下低阻动物坚硬表皮形貌进行直接复制以成形出比较接近生物原型的仿生减阻表面, 是生物复制成形工艺应用于仿生减阻表面研究的新尝试. 以鲨鱼皮为生物复制模板, 采用热压印法对其外端形貌进行了大面积微复制, 进而拼接制备出了仿鲨鱼减阻蒙皮. 平板样件水筒阻力试验结果表明, 采用生物复制成形工艺制备出的仿鲨鱼减阻表面具有明显的减阻效果, 在试验工况内, 最大减阻率达到8.25%.     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.     

产品造型中的仿生设计研究

仿生设计是对自然规律的一种提炼,是对生命与精神奥秘的一种探索,动植物在某些方面的功能,远远超越了人类自身的研究成果,可以根据生命体的形态、生物系统设计出功能强大、界面生动、操作简便的科技产品.未来的设计将更加注重产品的个性化、情趣化因素,仿生设计将成为未来产品造型设计的重要方法之一.     

基于树蛙脚掌的仿生六棱柱表面边界摩擦研究

湿润环境下软材料的摩擦受固液气多介质作用,一直都是摩擦理论的难点.师法自然,我们从自然界获取灵感,由树蛙脚掌能在湿环境中产生极强的摩擦力,来研究软材料在湿环境中的摩擦特性.本文表征了树蛙脚掌的结构和摩擦力,发现在边界摩擦状态下,界面间极薄的液膜有助于增大摩擦力.在树蛙脚掌湿摩擦力的启发下,设计制造出了一种仿生六棱柱增摩表面.通过对摩擦力表征发现,其边界摩擦能达到干摩擦的50倍.与光滑表面相比,仿生六棱柱表面能够产生稳定且持久的边界摩擦力,六棱柱表面亲水比疏水也有着更优异的边界摩擦性能.该研究结论有助于人们进一步认识软材料的湿摩擦机理,可以进一步帮助设计制造更强的湿吸附仿生表面.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

激光结构化仿生表面

在优胜劣汰的自然法则下,生物体通过进化实现了对自然环境最大程度的适应性.向自然界生物体学习,研究其表面独特的结构和特异性功能已成为近年来研发新型材料的重要途径之一.其中,结构化仿生表面是复合材料的重要组成部分,已广泛应用于生物工程、航空航天、现代医学、国防、新能源器件及日常生活中.激光法制备结构化仿生表面是以工程仿生学为基础,采用不同激光光源加工样品表面来形成不同表面结构并实现特定性能的技术.本文主要总结了近期国内外激光结构化仿生加工领域的进展,探讨激光加工的结构化仿生表面在减黏降阻及超疏水等方面的应用,并对今后的工作进行展望.     

Ti/TiB_2界面结合强度、稳定性和电子性质的第一性原理

为了研究涂层中Ti/TiB _2界面性质,本文采用第一性原理方法计算了Ti(0001)和TiB _2(0001)的表面能,6种不同Ti(0001)/TiB _2(0001)界面的黏附功和界面能,并且分析了它们的电子密度、差分电荷密度和分波态密度(PDOS).研究结果表明,当TiB _2(0001)表面的原子层数n≥9时,其表面深处的原子具有体相原子的特征.在6种不同的界面中,B终端的Ti/TiB_2界面稳定性均优于Ti终端的界面,且B终端的孔穴位堆垛界面(BTH)和Ti终端的心位堆垛界面(TTC)分别是两种终端最稳定的界面.此外,BTH界面具有最大的黏附功(7.72 J/m~2),它在整个Ti元素的化学势(-3.2~0 eV)范围内也具有最低的界面能,说明BTH界面具有最好的稳定性和结合强度.电子性质和PDOS的研究结果表明,BTH界面主要由Ti–B共价键和Ti–Ti金属键构成,且Ti–B共价键是主要由界面处的B 2p和Ti3d轨道杂化所形成的.     

ISNIT 2008&ISIUS 2008国际会议在南京召开

在国家自然科学基金委员会和南京航空航天大学的大力支持下,由南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所、韩国建国大学、吉林大学、中国机械工程学会摩擦学分     

纳米摩擦学研究进展与存在问题

90年代国际上兴起的纳米科学技术被认为是面向21世纪的新科技,它是在0.1～100nm尺度上研究自然界现象中原子、分子行为与规律,以期在深化对客观世界认识的基础上,实现直接由人类按需要排布原子,制造出性能独特的产品.纳米科技的出现无疑是现代科学的重大突破,将深刻影响国民经济的未来发展,并由此派生出一系列的新学科。纳米摩擦学就是其中重要的分支。在纳米科技中,当前人们普遍关心和急需解决的理论与实践问题主要有:微材料特性、微观摩擦、磨损和润滑、微系统优化设计理论以及纳米级结构和制造工艺等。 现代机械科学的发展出现机电一体化、超精密化和微型化的趋势,许多高新技术装置如微电子设备、微型机器人、生物医疗器械和精密测试仪器等的摩擦副间隙常处于纳米量级。微型机械中因受到尺寸效应的影响,使表面粘着力、摩擦力和润滑膜粘滞力相对于传统机械中的体积力而言显得非常突出,微摩擦磨损和纳米薄膜润滑已成为关键问题,因此纳米摩擦学对现代机械的发展具有重要意义。     

植物叶片提取物作为添加剂在铝-钢摩擦副下的摩擦学性能

为了验证植物叶片提取物作为环境友好型润滑油添加剂的摩擦学性能,提取球兰、大葱和茄子3种植物叶片表面蜡质作为考察对象.用MFT-R4000往复摩擦磨损试验机考察以PAO为基础油时,植物提取物作为添加剂在铝-钢摩擦副下的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察铝块磨斑的表面形貌.实验结果显示,不同润滑油添加剂显示了优异的抗磨减摩性能.摩擦系数大小顺序为:球兰茄子大葱Mo DTCPAO.抗磨性能大小顺序为:茄子球兰大葱PAOMo DTC.相比Mo DTC而言,3种植物添加剂表现出优良的抗磨和减摩性能.这可能与植物蜡质层含有醇、酯和酸等成分有关.扫描电子显微镜照片显示,与基础油磨斑相比,植物叶片提取物作为添加剂润滑的磨斑小且磨斑表面光滑.为了进一步研究植物添加剂的抗磨减摩机制,以茄子为例,通过对铝合金磨痕表面进行XPS分析,结果表明叶片提取物在磨斑表面可能以2 3Al O、乙二醇和丙三醇的复合物两种形式存在.3种植物叶片提取物在铝-钢摩擦系统中均具有良好的减摩抗磨性能,是有良好发展前景的环境友好型润滑油添加剂.     

具有黏附方向性及自适应性的仿生湿吸足垫研究

以竹节虫的光滑足垫为仿生原型, 提出一种用于爬壁机器人的新型黏附足垫, 内部具 有倾斜的仿纤维结构, 表面有花纹微结构, 基于湿吸机理产生黏附力. 首先对湿吸模型进行 讨论, 在此基础上对足垫结构进行设计; 然后对足垫的黏附方向性及自适应性进行深入分析; 最后基于亲水性、黏弹性较强的热塑性弹性体(TPE)材料制备足垫. 实验结果表明, 提出的足 垫具有较好的湿吸特性, 在薄水膜介导下, 法向黏附力约为0.65 N, 摩擦力约为3 N, 足垫表 现出良好的黏附方向性及负载自适应性.     

仿壁虎机器人脚掌的黏附性能研究及模拟微重力下黏脱附轨迹设计

失重环境下固体间的稳定接触是空间站舱内外航天员作业、在轨维修、空间碎片捕获等任务面临的共性问题,基于范德华力机制的刚毛黏附材料为解决上述问题提供了可能.本文介绍使用仿生高分子黏附结构研制仿壁虎机器人脚掌所面临的问题.用仿壁虎腿机构构成的黏附性能试验台,研究了黏附脚掌的刚度、尺寸和黏附轨迹与黏附力、实际接触面积间的关系,确定了脚掌黏附过程的稳定边界.用重力补偿法模拟整体失重环境,设计了脚掌黏脱附轨迹并实现了仿壁虎机器人在整体失重情况下的稳定黏附运动,为在轨微重力环境下仿壁虎机器人的黏附运动提供了基础数据.     

金膜、光盘和LB膜的摩擦力显微镜研究

纳米摩擦学的提出适应现代科学技术发展的需要.传统的摩擦磨损和润滑理论经过百多年的发展,虽然已经比较完善地解决一般工程设计问题,但对于摩擦学机理的认识和实现主动控制还存在许多问题,特别是对于微型机械或超精密机械中,例如极轻载荷、纳米尺度间隙下的摩擦磨损和润滑问题.宏观摩擦学已不适用.摩擦力显微镜(Friction force micro-scope,以下简称FFM)的出现为人们能在纳米尺度上进行摩擦磨损实验提供了有效工具.虽然国外学者已利用FFM作了许多工作,但用FFM进行纳米摩擦学实验并不象宏观摩擦磨损实验那样成熟.我们在研制FFM的基础上利用FFM进行了尝试性试验,本文报道了一些初步结果.关于摩擦力显微镜的描述见文献[7].作为摩擦力显微镜力传感器用的微悬臂是通过镀膜、刻蚀等工序制作而成.微悬臂呈三角形结构,材料为Si_3N_4,自由端有一个金字塔形微探针.当探针与样品接触时,可以控制压电陶瓷的伸缩使微悬臂产生不同程度的弯曲,从而实现微载荷定量设定,微载荷可通过下式求得:L=k·△h=k·p·△V,(1)其中k是微悬臂的弹性系数;△h是微悬臂的法向位移;p为压电陶瓷的伸缩系数;△V为加在压电陶瓷上的电压变化.实验材料有3种,分别为精抛光玻璃表面真空沉积的金膜、激光唱盘基片和小分子花生酸与高分子液晶     

生物表面活性剂和氨基酸或多肽构成的界面振荡

报道了一种由含生物表面活性剂的水相和含氮基酸或多肽的油相构成的油水界面振荡 .测定了由白氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、脯氨酸、赖氨酸、色氨酸或谷胱甘肽参与的液膜的电势振荡 .了反应物浓度和反应温度对振荡参数的影响及表面活性剂、氨基酸和多肽在振荡反应中的作用 .结合动力学模型和数值模拟 ,对油水界面振荡反应的机理进行了说明 .     

船舶摩擦学的发展展望

 首先阐述了船舶摩擦学的定义及其内涵。船舶摩擦学涉及内摩擦和外摩擦的问题,前者主要包括船舶主机、辅机与推进轴系等机械装置及系统内各摩擦副之间产生的摩擦,而后者包括甲板上层建筑及货物与空气、艉轴外支架、船体壳板与水、船上作业人员与船舶甲板间的摩擦。其次,综合分析了船舶主动力机械设备、辅助机械设备、船体界面中的各种摩擦学研究进展,并提出了船舶摩擦学在船舶节能减排、延长船舶机械系统的使用寿命、提高船舶运行效率等方面的作用。最后,结合船舶摩擦学的研究现状和航运业的发展需求,对船舶摩擦学研究的发展趋势进行了展望。