微米和纳米科技材料

大自然生物界中的“纳米之王”生物们比人类更早“掌握”这个技术

纳米是一个长度单位,指的是1米的10亿分之一。纳米技术,则是在纳米尺度(1~1000纳米之间)上研究物质的特性和相互作用,以及利用这些特性的技术。在纳米技术中,纳米材料是主要的研究对象与基础。

大自然生物界中的“纳米之王”生物们比人类更早“掌握”这个技术

事实上,纳米技术并不神秘,也不是人类的专利。早在宇宙诞生之初,纳米材料和纳米技术就已经存在了。在地球的漫长演化过程中,自然界的生物,从亭亭玉立的荷花、丑陋的蜘蛛,到诡异的海蛇尾,从飞舞的蜜蜂、水面的水黾,到海中的贝壳,从绚丽的蝴蝶、巴掌大的壁虎,到显微镜才能看得到的细菌……它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。这些动植物们通过精湛的纳米技艺,或赖以糊口,或用以御敌,一代代,在大自然中顽强地生存下来,不仅丰富了我们周围的世界,而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。

洁身自好的莲花

一提到莲花,人们很自然地就会联想到荷叶上滚动的露珠,以及其出淤泥而不染的高尚品格。

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20世纪70年代,德国波恩大学的植物学家巴特洛特在研究植物叶面时发现,光滑的叶子表面有灰尘,要先清洗才能在显微镜下观察,而莲叶等叶面却总是干干净净。他们利用人造的灰尘粒子污染玉兰、林山毛榉、莲花、芋、甘蓝等8种植物的叶面,然后用人造雨清洗2分钟,最后将叶面倾斜15°使雨滴滑落,观察叶面灰尘粒子残留的状况。实验发现,有些植物叶面残留的污染物多达40%以上;而莲花等植物叶面的污染物残留比例皆小于5%。这就是所谓的莲花效应。

那么,什么原因导致了这种莲花效应呢?莲花效应又能给植物本身带来哪些好处呢7,现代电子显微镜技术可以给出正确的答案。

通过电子显微镜,我们可以观察到莲叶表面存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些微小的蜡质颗粒,并且覆盖着无数尺寸约10个微米的突包,每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。在突包间的凹陷部分充满着空气,这样就紧贴叶面形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层,从而使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等落在叶面上后,不会大范围直接接触叶面,而要隔着一层极薄的空气,并且其能接触的点也只是叶面上若干个凸起的点。

这是自然界中生物长期进化的结果,正是这种特殊的纳米结构,使得荷叶表面不沾水滴,可以保持清洁:当荷叶上有水时,水会在自身表面张力的作用下形成球状。风吹动水珠在叶面上滚动时,水珠可以沾起叶面上的灰尘,并从上面高速滑落,从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。

研究表明,这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌,不仅存在于荷叶中,也普遍存在于其他植物中。某些动物的皮毛中也存在这种结构。

这种特性可以应用在玻璃上或是战机的雷达上,例如:经过纳米处理的玻璃本身也可以具有自洁效果。还有企业利用纳米技术处理涂料,涂上此涂料的物体因而也拥有了自洁效果。也许在未来的世界中,我们周围将不断出现不会脏的地板、墙壁,和没有灰尘的无线电用品。

飞檐走壁的壁虎

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壁虎可以在任何墙面上爬行,反贴在天花板上,甚至用一只脚在天花板上倒挂。它依靠的就是纳米技术。

过去,人们以为壁虎飞檐走壁靠的是脚掌上的神奇吸盘,凭借着“吸力”,它们才能够让身体自由漫步在任意一个三维空间内。但事实并非人们想象的那样简单。

专家说,“壁虎漫步”靠的不是吸盘,而是脚趾上数以万计的细小刚毛。刚毛根部有几十微米粗,顶端分成很多更细更弯的绒毛,每根绒毛的直径仅几百纳米,其末梢延展成扁平形。此种精细结构,使得壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱,但足以使所谓的范德华键(有些物质的分子具有极性,其中分子的一部分带有正电荷,而分子的另一部分带有负电荷,一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间,以微弱静电引力相互吸引,使两者结合在一起,称为范德华键或分子键)发挥作用,为壁虎提供数百万个的附着点,从而支撑其体重。这种附着力可通过“剥落”轻易打破,就像撕开胶带一样,因此壁虎能够自由穿过天花板。

在现实生活中,专家们试图据此制造出神奇的纳米材料,并将其广泛地应用到我们的生活中。比如,我们可以制造出抓地更牢的运动鞋,可以制作雨雪环境中不再打滑的汽车轮胎。而在影视剧拍摄中,演员们可以告别工作室里的电脑,真正在摩天大楼的玻璃幕墙上一展身手。据此开发出的空间探测用攀爬型机器人,无论在什么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走,给飞行器进行“体检”。

贝类——娴熟的黏合高手

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这里所指的就是普通的贝类,也即我们与蔬菜一起烹饪、经常可以吃到的那种贝类,它们堪称纳米黏合技术的高手。

当贝类想把自己贴在一块岩石上时,就会打开贝壳,把触角贴到岩石上,它将触角拱成一个吸盘,然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束:释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫,起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个“减震器”上。这样,它们就可以随波起伏,而不至于受伤。这种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。

依据该项研究,专家们设想未来也许可以研发出一种医用防水生物胶。此类粘胶不会侵害人体细胞或引发人体免疫反应,具有防水功能,能够成为黏接断裂骨骼和缝合软组织的理想材料,也适用于在潮湿的口腔中修复牙齿损伤。

眼观六路的海蛇尾

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海蛇尾是一种带甲壳的碟形海底生物,酷似海星。它有5个触角,没有眼睛,尽管如此,海蛇尾却能够敏捷地感知远处潜在的天敌,并及时将触角缩进壳里。海蛇尾这种灵敏的感觉,长期以来,一直令生物学家迷惑不解。

近来,这个问题终于在其甲壳上找到了答案:海蛇尾身上长满了“眼”,即数以万计的完美的微型凸透镜。这样一来,整个毛茸茸的身体就构成了其眼观六路的眼睛。

研究还表明,一只海蛇尾身上的这种透镜数日大约有5万~10万,它们都是由碳酸钙的纳米晶体组成。这种完美的光敏感微型透镜系统,是海蛇尾在生长过程中,身体表面纳米结晶化的结果。为了防止不必要的色边,结晶化过程中,透镜内还吸收了适量的镁,既可以帮助海蛇尾更有效地过滤光线,又可以校正透镜的“球面像差”,进而提高发现天敌的效率。

自从发现海蛇尾的这种特性以来,科学家一直在研究将其运用于科技的潜力。比如,利用海蛇尾的特性制造出新型的光学仪器,或是为将来的通讯网络发展提供线索。现在世界上的大多数光纤维用于通讯业,

透镜被用来聚焦和反射负载数字通讯信号的光线。科学家说,海蛇尾的光线聚焦能力是现有人工透镜的20倍,通过研究海蛇尾,可能会增加光纤维传送的信息量。

细菌:世界上“跑”得最快的生物

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细菌的个头虽小,但它们的运动速度却相当惊人,许多细菌每秒钟前行数十微米,一种被称作逗点弧菌的,每秒钟可向前游动100微米。不能小看这个数字,它相当于细菌自身体长的50倍;而一个人类运动员每秒钟只能向前跑5,4倍于其体长的距离;即使是擅长短跑的猎豹,这个数字也只能达到25倍。从这个意义上讲,细菌应当是世界上“跑”得最快的生物。

细菌世界的成员众多,其运动方式和机制上也存在差异,但大部分能够运动的细菌都是依靠自身的运动器官——鞭毛的作用。鞭毛是一种长的蛋白丝状物,它附着于细菌的外表,一般长15~20微米、直径20纳米左右。

细菌鞭毛的功能相当于船的螺浆,在水中可以高速旋转从而推动菌体前行,因此水中是鞭毛细菌自由驰骋的天地。鞭毛的旋转速度非常快,每秒钟旋转200~1000多转,比一般的电动机要快得多,鞭毛的高速旋转是由其附着于菌体上的基体旋转带动的,基体实际上就是鞭毛的基部,它由一个中轴套上2个或4个环构成,镶嵌固定在细菌的体表(细胞膜和细胞壁)中。

在科学家的眼中,基体简直就是一台精巧的纳米分子马达,但这个马达并不是靠电流驱动,而是用伴随着细胞膜两侧质子梯度的消失产生的生物能量ATP来驱动。细菌的鞭毛马达还可以转向(从反时针旋转变为顺时针旋转),从而使菌体发生翻滚,进而改变细菌的运动方向。事实上,细菌在游动时也并不是单纯地一直朝前游,而是伴随着不时地随机翻滚转向,但从表观上看仍表现为细菌的前行。

自由行走于水上的水黾

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小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”,因为它不仅能在水面上滑行,而且还会像溜冰运动员一样在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是,既不会划破水面,也不会浸湿自己的腿。

水黾是如何练就如此水上绝技?

对此,中国科学院化学所研究员在国际权威期刊《自然》杂志上发表论文,揭开了水黾“水上轻功”的奥秘,并认为水黾腿部特殊的微纳米结构才是真正原因。

水黾属于水生半翅目类昆虫,因种类不同,大小也各不一样。一只中等大小的水黾重约30毫克,水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量,这就是该种昆虫具有非凡浮力的原因所在。

江雷领导的研究小组在高倍显微镜下发现,水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽,吸附在构槽中的气泡形成气垫,这些气垫阻碍了水滴的浸润,宏观上表现出水黾腿的超疏水特性(超强的不沾水的特性)。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如,即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。

这一新的发现将有助于在将来设计出新型的微型水上交通工具。

利用“罗盘”定位的蜜蜂

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研究表明,包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研究发现,蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子,这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能,蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境,利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时,实际上就是把自己原来存储的图像和沿途所见的图像进行对比。如果两个图像一致,即可据此来判断出蜂巢的所在。

利用这种纳米磁性颗粒进行导航,蜜蜂可以完成数千米的旅程。

五彩斑斓的蝴蝶

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蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美妙的花纹使人着迷。这也让生物学家们感到疑惑:蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的,又有什么不同的意义呢?

最近,荷兰格罗宁根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的通道。在研究了菜粉蝶和其他蝴蝶翅膀的表面后,希拉尔多博士揭示了这个秘密:翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。

他的研究表明,蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质,它们就像圣诞树上小小的彩灯,在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一种身份的标志。不同颜色的翅膀,让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就可以识别出同伴,甚至辨别出对方是雄是雌。

通过电子显微镜的观察,希拉尔多博士发现粉蝶翅膀的结构非常奇特;尽管不同种类的蝴蝶,鳞片的结构不同,但彼此之间还是有共同特征。一般来说,蝴蝶翅膀由两层仅有3~4微米厚的鳞片组成,上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替,每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体,也就是纳米结构。通过这种结构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。

会吐丝的蜘蛛

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蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于普通人而言,蜘蛛网并不是什么了不起的东西,用扫帚轻轻一拂,蛛网就被扫掉了。但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。

除了用于捕捉飞虫外,几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有几种腺体,被称为吐丝器。各种腺体产生不同类型蛛丝,腺体顶端有喷丝头,其上有数千只小孔,喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。通常,1000根蛛丝合并后比人的头发丝还要细1/10。

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