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从荷叶到飞蛾,人类从大自然学习了这么多!

来源:蝌蚪五线谱    发表时间:2020-05-20

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千百年来,人类不断从大自然汲取知识和经验。这种对大自然的奥秘探索、学习与应用的过程,我们称之为“仿生学”。

仿生学的重要研究目标之一,就是设计出仿生材料。

为了生存,自然界中的生物各自拥有自己的“独门绝技”。在搞明白了这些“绝技”的原理之后,科学家们就可以有针对性地设计出功能强大的仿生材料。

例如,超疏水材料的灵感来自于荷叶叶片上的超疏水微纳复合结构;鲨鱼皮泳衣模仿了鲨鱼的皮肤,具有可以减小水流阻力的特殊纤维结构;著名的悉尼歌剧院则借鉴了贝壳、蛋壳等薄壳类材料的拱状结构,这种结构可以将外部载荷均匀地分散开来。

除此之外,科学家们还设计出了许多其它类型的具有强大功能的仿生材料。下面我们就从光学、电学和力学这三个方面了解一下吧!

NO.1光学仿生材料:蛾眼VS抗反射光学材料

我们在生活中经常遇到这种情况:用相机的闪光灯模式拍摄人像时,人物的眼睛可能会有明显的反光;用手电筒照射猫、狗等小动物的眼睛时,也能看到明亮的光斑。生物的眼睛一般对直射的光线都具有明显的反射能力,但是有一种昆虫的眼睛却会将光线完全吸收掉,那就是蛾类。蛾类的眼睛上长有成千上万根以特殊方式排列的细小绒毛,长度只有几百纳米。这些绒毛的长度小于可见光的波长,几乎可以实现对光线的零反射。

科学家将这种神奇的表面微纳结构应用到了不同的光学领域当中,并取得了显著的成效。例如,科学家G.Hubbard开发出了一种仿蛾眼的圆柱形抗反射微结构,这种结构在可见光范围内的平均反射率仅为1%;在太阳能电池表面应用仿生蛾眼微纳结构,可以显著提高太阳能的收集效率;将仿生蛾眼微纳结构应用于显示设备的面板,则可以降低面板的反射光强度,从而减少显示设备的眩光现象。

NO.2电学仿生材料:鲨鱼vs微弱电场检测量子材料

1687年,意大利解剖学家斯特凡诺·洛伦兹在鲨鱼、鳐鱼等鱼类体内发现了一种名为“洛伦兹腹壶”的器官。这种器官可以通过与海水进行氢离子交换来探测到海水中的微弱电流,具有这种器官的鱼类就可以借此精准地追踪猎物。普渡大学的科学家们根据这一原理,利用一种称为“镍酸钐”的材料制备出了新型的传感器,这种传感器的应用将会大大提高人们海洋探索和海洋环境监测的能力。

NO.3力学仿生材料:珍珠vs人工珍珠层仿生材料

自然界中的珍珠由一种独特的多级有序微纳“砖-泥”复合结构构成,这种结构使珍珠具有很高的强度和韧性。为了制造出类似的高性能结构,科学家们在最近十几年提出了许多不同的人工珍珠层材料制备方法。最近,中国科学技术大学的科学家提出了一种制备人工珍珠层材料的多级次增韧机理,创造出了一种高效通用的组装策略,可以快速大量制备出高性能、大尺寸的仿珍珠层材料。

我们在这里看到的仿生材料仅仅是沧海一粟,科学家们早已在不同领域开发出了大量新奇的仿生材料。相信在不久的将来,这些仿生材料将会陆续揭开神秘的面纱,在日常生活中与我们相见!

编辑:weimin

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