自然界中的纳米现象

自然界中的纳米现象徐强2009-03-20

纳米仿生材料

上次课的重点内容

1．在结构件领域的应用（汽车）

2．在电子器件方面的应用（DNA和量子计算机） 3．在化学化工领域中的应用（催化剂）

4．在生物医药领域的应用（人造细胞和靶向） 5．在纺织品中的应用（超双疏技术）

6．在军事上的应用（隐身、微型、毁伤与防护）

主要内容

1、引言

2、基本概念

3、纳米仿生材料学的研究热点

Nature

Stealing Ideas from Nature

生命进化已经历了35亿年的历史，而人类进化只有500万年的历史。

模仿人类的创造固然重要，模仿自然更有无限的潜力和机会！

更有可能提升原始创新的能力！

Julian Vincent.Stealing Ideas from Nature. 2002

Stealing Ideas from Nature

在500 万年进化过程中，人类不断地模仿自然，提升生产能力。

仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。

例如：模仿带齿的草发明锯子，模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造木船，模仿飞鸟发明飞机??。

Stealing Ideas from Nature

纳米仿生材料

纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点已开始转向纳米仿生材料，这是因为自然界动物的筋、牙齿、软骨、皮、骨骼、昆虫表皮等都是纳米复合材料。

纳米仿生材料学

仿生学概念

1960年美国人Jack Steele创造了“仿生学”。

仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系

统特征的科学。

“模仿生物的科学”

Jack Steele. Bionics-symposium: living prototypes-the key to new technology. 1960

徐坚. 中国化工学会. 2006

仿生学的发展

(1)经过35亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不尽的知识宝库和学习源泉。

(2)仿生学是诸多学科的交叉，需要，尤其需要生命科学家和多学科技术科学专家的共同关注与参与。

(3)仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展。

(4)重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。

路甬祥. 科学中国人. 2004

仿生材料学

仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。

仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学，它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科，是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。

Problems

还不能大量制造(如蜘蛛丝…)

性能还不如生物体(如家蚕、蛾触角…)

有些生物机制尚未能详细了解(如光合作用…)

Problems

鲍鱼壳断口粉笔断口CaCO3性能相差甚远

仿贝壳结构的层状结构陶瓷

纳米仿生材料学的研究热点

The Lotus-Flower-Effect: Self-cleaning property through hydrophobic micro-dots.

The Moth-Eye-Effect: The art to be invisible through optical nano-burls.

The Gecko-Foot-Effect:Sticking on the wall through elastic nano-hairs.

The Sand-Skink-Effect:Reduction of friction and wear through nano-thresholds.

The Darkling-Beetle-Effect:Collecting dew through hydrophilic/hydrophobic micro-spots. The Shark-Scale-Effect:Turbulence reduction through longitudinal micro-grooves. The Water Strider-Effect:To keep dry through micro-hairs with nano-ridges.

Nano-patterns in nature

荷叶-纳米丘

水黾-纳米槽

拟步甲-纳米包

飞蛾-纳米瘤

纳米钉

沙漠鱼-纳米阶

The Sandfish-Effect

?The Sandfish

lives in the

Sahara desert

www.bionik.tu-berlin.de/institut

Sandfish ?

Fishing rod

0 s

?s

?s

Friction

Abrasion

Characteristics of the sandfish scales

M. Zwanzig, IZM

8μm

s a

n d

f l o w

自然界中的电现象

(一)自然界中的电现象 打雷和闪电是自然界中最为显著的电现象，给人的印象极为深刻。我国自古以来在语言、文字中就出现了对自然中电现象的描绘，如称雷公电母、电闪雷鸣、春雷滚滚、雷电交加、天走银蛇等等。而且，雷电击人、毁坏物体的自然灾害时有发生。 历史上曾有科学家尝试接收雷电的能量，但实验不成功。人们着手研究、探讨电的现象和规律，是从摩擦、静电感应开始的。自从了解了电和磁的关系，人类终于实现了对电的规模应用，对电的理解也更为深入。今天，电不但是照明、影音、通讯、电热、机械动力等的能量源泉，实现了电量与非电量的能量转换，而且通过计算机技术传递着各种信息，把社会生产、社会生活推向了信息化时代。电科学技术已经是人类不可缺少的，是极大促动生产力发展的现代科学技术，有着广阔的发展前景，已经形成了多门类、多分支的学科。 电工学是研究电主要在动力以及电器应用方面原理的基础理论学科。学习电工学，应该对电的本质有明晰的了解。 二、电的物质性和电的产生模型 (一)电的物质性 电是物质的一种运动形式，电实质就是电子的定向运动，在运动过程中表现出了电的性质和特点。自然现象中的电和我们日常所经常接触使用的电，在本质上都是一样的。 我们知道，物质的原子是由本身的原子核、电子构成，带正电荷粒子的原子核与带负电荷粒子的电子之间存有着万有引力和静电力库仑力，方向为相互所指。 因为所带电量相等而整个原子对外不显电性，其间的静电力是它们相互束缚的最主要力量。电荷粒子具有同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的性质，一个电 子电荷粒子的电量是16×10库仑，静止质量约为91×10克。 作为不稳定结构的原子，如金属铜的原子，一旦因原子的最外层自由电子受到外部作用力而偏离原运行轨道，则该原子成为显正电性的原子，而偏离轨道的自由电子显负电性，若干铜原子的电子在同一外力作用下形成有规则的、连续的定向运动，在宏观上就是电流。理应注意，自由电子受外力作用所谓偏离原运行轨道，即是发生定向位移，受到作用力越大，偏离位移也就越厉害，位移的方向就是电荷受到外力与自由电子受到原子核静电力合矢量的方向。电流是电子之间以相互接力式的定向位移，传递着对它们产生作用力的外力的能量，一般情况下，如果接力传递链不能形成，外力再大，能量也得不到传递。而在导电状态下的金属铜导体带正电荷的原子核是不会发生位移的。除了金属铜原子外，其他金属类原子也有类似性质。其，只要能起作用的外力充足大，部分非金属原子最外层电子也会被强行形成接力式定向位移，而传递能量。 (二)电荷的聚集与电场 电场是在外力的作用下所形成的电荷团，正电荷的电荷团为正电场，负电荷的电荷团为负电场，无论电场的电荷量多少，都具有电场的性质，包含电场力、电场

胶体界面现象问题答案修改版

?胶体界面现象问题答案 1.为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的为什么气泡比液滴更容易破裂?同样体 积的水,以球形的表面积为最小,亦即在同样条件下,球形水滴其表面吉布斯自由能相对为最小。气泡同理。半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压,因此在外压的挤压下,小气泡更容易破裂。 2.毛细凝结现象为什么会产生?根据Kelvin公式RTln(pr/po)=2Vγ/r, 曲率半径极小 的凹液面蒸气压降低,低于正常饱和蒸气压,即可以在孔性固体毛细孔中的凹液面上凝结。因毛细管曲率半径极小,所以会产生毛细凝结现象。 3.天空为什么会下雨人工降雨依据什么原理向高空抛撒粉剂为什么能人工降雨 天上的雨来自空中的云,空中的云其实就是水的气溶胶,它来自地面的水汽蒸发。当 水蒸气压大于水的饱和蒸汽压，云中水滴增大，达到一定程度,也就是不能被上升 的气流顶托住的时候,水滴（冰滴、雪花）就会落到地面上,即是我们所见的雨、雹、雪。 ?只有过饱和水蒸气的云才能实施人工增雨。雾状小水滴的半径很小，根据开尔文公式，由于小水滴的饱和蒸气压p r*大于水的饱和蒸汽压，水滴难以长大，可以添加碘化银、干冰，增大粒径（干冰还降低温度），降低p r* ，使水滴凝结。 ?实施人工隆雨时就是向空中撒入凝结核心，使最初的小水滴的曲率半径加大，这时小水滴的饱和蒸气压小于高空中的蒸气压，从而形成降雨。 4.为什么会产生液体过热现象加入沸石为什么能消除过热现象 ?液体中的小气泡，r <0, p r*

第十二章界面现象

第十二章界面现象 12.1 表面吉布斯自由能和表面张力 12.1.1 表面和界面(surface and interface) 界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。 严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。常见的界面有：1.气-液界面，2.气-固界面，3.液-液界面，4.液-固界面，5. 固-固界面。 12.1.2 界面现象的本质 表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力未必能相互抵销，因此，界面层会显示出一些独特的性质。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。 最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。 液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。 12.1.3 比表面（specific surface area） 比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积；另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：

/ m V A A m A A V ==或 式中，m 和V 分别为固体的质量和体积，A 为其表面积。目前常用的测定表面积的方法有BET 法和色谱法。 12.1.4 分散度与比表面 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。例如，把边长为1cm 的立方体1cm 3逐渐分割成小立方体时，比表面增长情况列于下表： 边长l/m 立方体数 比表面A v /（m 2/m 3） 1×10-2 1 6 ×102 1×10-3 103 6 ×103 1×10-5 109 6 ×105 1×10-7 1015 6 ×107 1×10-9 1021 6 ×109 12.1.5 表面功（surface work ） 由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积，就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加d A 所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为： 'd W A δγ= 式中γ为比例系数，它在数值上等于当T ，P 及组成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功。 12.1.6 表面自由能(surface free energy) 考虑了表面功，热力学基本公式中应相应增加γd A 一项，即： B B B d d d d U T S P V A dn γμ=-++∑ B B B d d d d H T S V P A dn γμ=+++∑ B B B d d d d F S T P V A dn γμ=--++∑

自然界的生命现象

自然界的生命现象 生命是地球上最神奇的现象，生命是多姿多彩的，然而，生命也有顽强的、脆弱的、有意义的……我在这里将介绍一个植物，它的生命力极强，它就是——我家门前的一棵不起眼的藤蔓。 这棵藤蔓在三四年前就扎了根。那时，它长得非常旺盛，正值青春年华，绿油油的叶子挺立着，它缠绕着墙壁，向着阳光生长，享受着大自然的沐浴。 后来发生了一些变故。一天，我和妈妈出去玩的时候，我无意间扭头一看，那棵藤蔓已经消失得无影无踪。我当时很奇怪，就想：那棵藤蔓到底跑到哪儿去了呢？有可能是被人割去了，也有可能是自己死了。总之，我在当时认为那棵藤蔓永远地消失了。 第二年的春天，我和往常一样去上学。我再看看那面墙，突然，意想不到的事情发生了。在那墙的缝隙，一棵小藤蔓艰难地挺了出来，它的茎奇瘦无比，它的叶子嫩到了极点，但它还是穿过墙壁，透了进来。它在几个月前虽然被割，但是它的根却没有丢。就是这唯一的根，支撑起了它强大的生命力，使它有了前进的动力，让它顽强地活了下来。 如今，那面墙已被密密麻麻、绿油油的藤蔓所覆盖，成千上万的藤蔓种子在这里扎根、生长、再播种……但是，惟独那株绿油油的小藤蔓，它却在我的心里生长着，成为那永远抹不掉的记忆。我们身边也有这样的人，他们不怕困难，克服一切阻力，奋然向上。如：残奥会上的运动员们、海伦?凯勒……他们也具有顽强不屈、坚强、不怕困难的品质。而我们呢，我们是健全人，是健康的人，我们还有什么权利怕挫折、怕困难、自暴自弃呢？ 世上有赞美小草的诗，有赞美有着丰功伟绩的人们的文章，但是，谁会去赞美一棵小藤蔓？可它那顽强的生命力是值得每一个人敬佩的。我们也应该变得坚强，不怕困难。如果你不能克服困难，那你就是藤蔓的学生！不如一棵植物！

小学阅读理解——自然界有趣的现象

小学阅读理解——自然界有趣的现象 有人特别爱观察，在自然界发现了许多有趣的现象。 加拿大的作物管理专家彼特曼曾研究发现，生长的西红柿在缺水时会发出呼喊，如果呼喊后得不到水喝，呼喊就变成了呜咽。他解释说，这种声音是那些从根部向叶子传输水分的导管在萎缩时发出的，萎缩的力量相当于轮胎气压的25倍，会造成含有水分的导管破裂，从而发出哭泣的声音。 对于植物为什么会像动物一样哭泣，美国科学家从化学的角度作出了解释。他们认为，当植物生存受到威胁或直接危害时，体内的亚麻酸就会发生变化，转化为茉莉酮酸，同样能帮助植物抵御外界的侵袭，茉莉酮酸的产生，就是植物哭泣的物质原因，也是抑制疼痛和医治创伤的良药。 阿尔卑斯山的落叶松在被羊群啃食后，就会长出一簇刺针来。当羊群再来侵犯，针便会刺入羊的身体，羊群只好退让三分。有趣的是，被羊群吞食后长出的新嫩苗，在刺针的呵护下一直长到羊群吃不到的高度才抽出新的枝条来。 事实上，人们还发现了不少类似的事情。这些发现让我们看到，自然界是那样的神奇，又是那样的有秩序。随意地破坏、侵犯，是会遭到报复的。 1、照样子，写句子。 自然界是那样的神奇，又是那样的有秩序。 是又是

___________________________________________________ _____ 2、根据短文，在下边正确的说法后面画 （1）西红柿在生长时哭泣，是因为有人伤害它。（） （2）美国的科学家从化学的角度对哭泣作了解释。（）（3）植物哭泣，是因为体内的茉莉酮酸转化成了亚麻酸。（） 3、读了这篇短文，把自己的感受写下来。 ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ _____ 参考答案： 妈妈是那么的温柔，又是那么的善良。 （2） 提示：写出自己的真实感受，也可以根据某一感受进行分析。

四年级语文阅读理解训练题有答案自然界有趣的现象

四年级语文阅读理解训练题有答案自然界有趣的现象 有人特别爱观察，在自然界发现了许多有趣的现象。 加拿大的作物管理专家彼特曼曾研究发现，生长的西红柿在缺水时会发出“呼喊”，如果“呼喊”后得不到水“喝”，“呼喊”就变成了“呜咽”。他解释说，这种声音是那些从根部向叶子传输水分的导管在萎缩时发出的，萎缩的力量相当于轮胎气压的25倍，会造成含有水分的导管破裂，从而发出“哭泣”的声音。 对于植物为什么会像动物一样“哭泣”，美国科学家从化学的角度作出了解释。他们认为，当植物生存受到威胁或直接危害时，体内的亚麻酸就会发生变化，转化为茉莉酮酸，同样能帮助植物抵御外界的侵袭，茉莉酮酸的产生，就是植物“哭泣”的物质原因，也是抑制“疼痛”和医治创伤的良药。 阿尔卑斯山的落叶松在被羊群啃食后，就会长出一簇刺针来。当羊群再来侵犯，针便会刺入羊的身体，羊群只好退让三分。有趣的是，被羊群吞食后长出的新嫩苗，在刺针的呵护下一直长到羊群吃不到的高度才抽出新的枝条来。 事实上，人们还发现了不少类似的事情。这些发现让我们看到，自然界是那样的神奇，又是那样的“有秩序”。随意地破坏、侵犯，是会遭到报复的。 1、照样子，写句子。 自然界是．那样的神奇，又是 ．．那样的“有秩序”。 是……又是……________________________________________________________ 2、根据短文，在下边正确的说法后面画“√” （1）西红柿在生长时“哭泣”，是因为有人伤害它。（） （2）美国的科学家从化学的角度对“哭泣”作了解释。（） （3）植物“哭泣”，是因为体内的茉莉酮酸转化成了亚麻酸。（） 3、读了这篇短文，把自己的感受写下来。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 参考答案： 1、妈妈是那么的温柔，又是那么的善良。 2、（2）√ 提示：写出自己的真实感受，也可以根据某一感受进行分析。

自然界有趣的现象

自然界有趣的现象 有人特别爱观察，在自然界发现了许多有趣的现象。 加拿大的作物管理专家彼特曼曾研究发现，生长的西红柿在缺水时会发出“呼喊”，如果“呼喊”后得不到水“喝”，“呼喊”就变成了“呜咽”。他解释说，这种声音是那些从根部向叶子传输水分的导管在萎缩时发出的，萎缩的力量相当于轮胎气压的25倍，会造成含有水分的导管破裂，从而发出“哭泣”的声音。 对于植物为什么会像动物一样“哭泣”，美国科学家从化学的角度作出了解释。他们认为，当植物生存受到威胁或直接危害时，体内的亚麻酸就会发生变化，转化为茉莉酮酸，同样能帮助植物抵御外界的侵袭，茉莉酮酸的产生，就是植物“哭泣”的物质原因，也是抑制“疼痛”和医治创伤的良药。 阿尔卑斯山的落叶松在被羊群啃食后，就会长出一簇刺针来。当羊群再来侵犯，针便会刺入羊的身体，羊群只好退让三分。有趣的是，被羊群吞食后长出的新嫩苗，在刺针的呵护下一直长到羊群吃不到的高度才抽出新的枝条来。 事实上，人们还发现了不少类似的事情。这些发现让我们看到，自然界是那样的神奇，又是那样的“有秩序”。随意地破坏、侵犯，是会遭到报复的。 1、照样子，写句子。 自然界是那样的神奇，又是那样的“有秩序”。 是……又是……____________________________________________________ 2、根据短文，在下边正确的说法后面画“√” （1）西红柿在生长时“哭泣”，是因为有人伤害它。（） （2）美国的科学家从化学的角度对“哭泣”作了解释。（） （3）植物“哭泣”，是因为体内的茉莉酮酸转化成了亚麻酸。（） 3、读了这篇短文，把自己的感受写下来。