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不懂材料,还谈什么“玫瑰花与爱情”!

河南大学重点科研机构团委2019-01-15 15:09:34

人类的许多科学技术都是从大自然中不断获取灵感而产生的:


  •  通过蜻蜓发明了直升机;

  •  参考鸟巢的结构,建造了北京2008奥运会主场馆;

  •  通过鱼的身体发明了水下动力学,进而研制出船和潜艇;

  •  根据火野猪的鼻子测毒的奇特本领,制成了世界上第一批防毒面具;

  •  根据变色龙遇到危险变色逃生的启示,人们发明了用于不同地理环境的特种军服;

……


有时候,一个再普通不过的事物背后也许就隐藏着大智慧。今天这期材料美学,就和小编一起来探秘玫瑰、北极熊的毛发、蜘蛛丝和猪笼草背后深藏的材料美学。


玫 瑰


所谓“送人玫瑰,手留余香”。玫瑰一直以来象征着热情奔放高贵典雅。不知道大家有没有发现,当晨曦的小水滴落在玫瑰花瓣表面上时,水滴的球形非但不变,而且无论怎么调节玫瑰花的方位,它都不会从花瓣表面滚落,具有很典型的吸附效应。为什么水滴会吸附在玫瑰花表面上呢?


娇艳欲滴的玫瑰花

图片来源:gaofenzi.org


仔细查看玫瑰花瓣的表面,我们会发现玫瑰花瓣由一颗颗小颗粒组成,像一颗颗红色的石榴籽。


玫瑰花瓣放大结构图

图片来源:cn.dreamstime.com


而当我们在扫描电子显微镜下观察时,我们发现红玫瑰花瓣表面具有层状的微乳突和纳米褶皱,这些微纳结构为超疏水性提供了足够的粗糙度,同时也产生了对水的高粘附力。花瓣上的水滴呈现出球形,但将花瓣颠倒后却不易滚落。北航的江雷院士把这种现象称为“花瓣”效应,可与著名的“荷叶”效应相类比。


玫瑰花宏观和微观形貌图以及液滴形态

图片来源:《中国科学》杂志社


随着研究的深入,人们又发现玫瑰之所以红的这么鲜艳,是因为玫瑰花瓣具有很强的增透效果,通过增强颜色的对比,可以进一步提升他们授粉的机会。于是科学家们用聚二甲基硅氧烷完美的复制了玫瑰花瓣的表皮结构,并将其集成进有机太阳能电池中,通过玫瑰花瓣结构优异的全向增透属性,减小了光线入射的反射值,有效的增大了光强,使太阳能电池的转化效率提升了12%。


玫瑰花瓣结构在太阳能电池中的应用

图片来源::gaofenzi.org


随后,香港理工大学和中国科学院兰州化学物理研究所的科学家们又通过仿生模拟玫瑰花瓣表面结构制备了具有表面微纳米结构的非共面弹性基底,且基于此基底进一步设计开发了柔性可拉伸的电子器件。与传统表面平整的聚二甲基硅氧烷基底相比,这种通过仿生手段制备的弹性花瓣结构可有效地预防非弹性材料的裂纹扩展,而且该材料可适用于多种导电材料(金属和导电聚合物)和沉积方法。

玫瑰花瓣微观结构制备柔性基底

图片来源:twwtn.com


所以,一朵美丽的玫瑰花背后却影藏了这么多不为人知的秘密,真是太神奇了。


北极熊的毛发


为什么北极熊不需要穿衣服却可以在北极如此极寒之地悠闲的散步呢?为什么我们人类穿了衣服却都不敢去北极走走呢?一个很直观的原因在于北极熊那一身白绒绒的毛起到了保暖的作用。


北极熊的毛

图片来源:Google


可是为什么北极熊的毛可以保暖吗?于是浙江大学的科学家用高倍电子显微镜观察了一根北极熊毛发的微观结构。通常说来,每根北极熊的毛大约15厘米长,直径大概在200微米左右,和人的头发粗细差不多。在电子显微镜下,你会发现它是一根中空的半透明小管,孔径15-20微米左右。这些许许多多的小孔封装着空气,空气静止了,热对流就无法产生,进而减少了热量的损失,达到了保温的效果。


北极熊的毛发

图片来源:djh.168tex.com


考虑到北极熊毛发的特殊结构所带来的保暖功效,浙江大学的科学家们发明了一种“冻纺”术,用天然的蚕丝蛋白纺成纤维,导致其结构与隔热功能都可以与北极熊的毛发相媲美。


人造北极熊毛微观结构

图片来源:djh.168tex.com


他们进而将这种技术纺出了一件小马甲,给一只小白兔穿上。实验显示,在-10℃到40℃的环境中,红外相机几乎观测不到被仿生织物覆盖的生物体的热量,成功实现“隐身”。


小兔子在不同材质的马甲下的红外检测图

图片来源:tech.sina.com.cn蜘蛛丝


蜘蛛丝


北宋张先《千秋岁》曾这样写道“天不老,情难绝。心似双丝网,中有千千结。”蜘蛛丝承载着古时候迁客骚人很多情感寄托。现代美国好莱坞电影大片里的蜘蛛侠想必大家很多人也特别熟悉,靠着一根蜘蛛丝在空中飞来飞去。 


蜘蛛丝

图片来源:Google


通常说来,高强度材料延伸率低,高延伸率材料强度低,似乎是材料力学性质的普遍规律。蜘蛛丝却打破了这个规律。蜘蛛丝的强度和韧性是很高的,比一般的钢铁强度都要高,主要原因是蜘蛛丝是一种多级次的复合材料。


蜘蛛丝分级结构力学模型

图片来源:imech.blog.kepu.cn


虽然人们关于蜘蛛丝力学材料的仿生已经持续了多年。但是,蜘蛛丝还有一个性质却容易被人们忽略,那就是蜘蛛丝可以在雾气中收集水分。蛛丝具有的特殊结构使其在轴节和节点之间具有表面能梯度以及不同的Laplace压力降,两种因素共同导致了在蛛丝的轴节附近能够持续不断地定向的进行水滴的收集。


湿润蜘蛛丝上水滴的定向收集

图片来源:polymer.cn


此外,考虑到蜘蛛丝都是纳米纤维,人们又为此研发出了静电纺丝技术,通过电场力的作用将聚合物溶液加工成纳米纤维,来模仿蜘蛛丝。


静电纺丝机理及其微观结构

图片来源:muchong.com


猪笼草


猪笼草下半部稍膨大,笼口上具有盖子,因其形状像猪笼并可捕虫而得名。猪笼草绝对是小编我小时候听到过的最有趣的植物之一,因为很少能听到吃“荤”的植物。可是猪笼草为什么可以捕获昆虫呢?研究发现猪笼草的口缘区在湿润环境下显现出优异的湿滑特性,昆虫很难驻足在口缘区,常会“失足”而滑落至捕虫笼内而被捕食。


猪笼草

图片来源:Google


猪笼草各区域微观结构

图片来源:matereletroeng.org

 

科学家深入分析了猪笼草口缘区表面微观结构上的液膜铺展过程,首次发现液膜定向连续搬运的神奇现象,提出了梯度泰勒毛细升、闭口梯度泰勒毛细升理论计算模型,揭示了液膜定向连续搬运机理。


液膜定向连续搬运过程

图片来源:nsfc.gov.cn


进一步研究发现,猪笼草“嘴唇”具有连续搬运能力是其保证湿滑、让昆虫类动物站不住脚的根源。这种奇特的定向搬运液体现象是因为其表面独特的微纳结构——楔形盲孔组成不对称沟槽。这一新的发现对于开发设计新型定向流体输运系统具有指导意义,在农业滴灌、无动力的微药物传输等领域具有广阔的应用前景。


猪笼草“嘴唇”区周期性的不对称微观结构



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