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澳门微尼斯人娱乐向自然学习,化学所研制出焓

发布时间:2019-07-30 20:53编辑:化学科学浏览(176)

    向自然学习,从自然中获得灵感和解决问题的思路,是现代科学研究的重要途径之一。中国科学院院长路甬祥在10月20日下午对化学所创新工程三期现场考核和评估时再次强调了向自然学习的重要性。

    在中国科学院、国家自然科学基金委和科技部的支持下,化学所有机固体院重点实验室研究人员与分子纳米结构与纳米技术院重点实验室及国家纳米中心的研究人员合作,成功利用DNA纳米马达制备出焓驱动的三态浸润性智能开关表面(open-close-locked),相关研究结果发表在近期的《德国应用化学》(*Angew. Chem. Int. Ed**. 2007, 46, 3915-3917; **Angew. Chem.** 2007,119*, 3989-3991)上。

    化学所有机固体院重点实验室江雷研究员领导的课题组,近几年来一直致力于仿生纳米界面材料的研究工作,并取得系列研究成果,最近应邀在《化学研究报导》 (Acc. Chem. Res. 2005, 38, 644) 杂志上发表综述文章,该文以“Bioinspired Surfaces with Special Wettability”为题,全面系统地介绍了该小组的工作,表明该研究小组在国际上占有一席之地。

    前期工作中,该组研究人员在热响应超疏水-超亲水可逆“开关”研究中,在基底上制备了温度响应高分子的可逆开关(Angew. Chem. Int. Ed. 2004,43,357);利用水热法制备了阵列氧化锌纳米棒,实现了表面浸润性由超疏水向超亲水转变(J. Am. Chem. Soc. 2004,126,1,62);并构筑了光开关的浸润性和颜色双重响应的氧化钨纳米薄膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45,1264-1267)以及温度和pH值双重刺激的超疏水与超亲水可逆转换聚合物薄膜(Adv. Mater. 2006,17,432-436)。

    该课题组从具有特殊表面性能的生物体出发,选择几种典型的生物体表面进行重点研究,揭示了生物表面特殊浸润性的机理:

    研究过程中他们注意到,对于以上这些由无机氧化物或有机分子构筑的响应表面,大多遵循熵驱动的开关过程。而在生命现象和分子识别行为中,焓驱动的过程占有十分重要的地位。在很多情况下,生物分子都是经历了从一种有序状态到另一种有序状态的焓驱动的转变过程,这种特异的一对一的分子识别特性,为智能纳米器件的设计提供了可能。

    通过对荷叶表面结构的研究,发现其表面的微米/纳米结构与表面植物蜡的协同作用是引起自清洁性的关键 (Adv. Mater. 2002, 14, 1857);

    研究人员从仿生分子设计的角度,选择DNA纳米马达作为智能开关的核心,首先对其进行了功能化的修饰,分别在DNA纳米马达的两端修饰疏水的功能团和表面固定基团。进而,通过单层自组装将DNA纳米马达固定在阵列微结构的金基底上,构筑了一个新颖的智能表面。通过酸碱刺激,在该表面上可以实现如图所示的超亲水、亚稳的超疏水和稳定的超疏水三种状态之间的转换。这三种状态分别对应于DNA的三种构型折叠的四链结构、伸展的单链结构与刚性的双链结构。DNA三种构象的变化使得所构筑的表面顶部的化学功能团也相应地发生变化,从而导致了表面浸润性的转变。就像是一个智能的“浸润门”,open时显示出超亲水性,close时表现出亚稳的超疏水性(微小的刺激会使超疏水性失去),而locked时表现为稳定的超疏水性。这些结果有助于我们了解生物识别行为过程,也有助于新型智能表面的设计和发展。

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    荷叶出淤泥而不染的特点是其表面具有超疏水性质引起的,这种超疏水的性质是荷叶表面的微米/纳米复合结构与其表面的植物蜡所产生的共同作用的结果。右图为荷叶表面微观结构的电镜照片。

    三态浸润性开关示意图

    通过对水稻叶表面存在液滴滚动的各向异性的机理研究,发现该现象是由于其表面微/纳米结构的定向排列的结果(Adv. Mater. 2002, 14, 1857);

    有机固体院重点实验室

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    2007年7月6日

    由于表面微米级结构的取向排列,水滴在水稻叶表面会呈现各向异性的流动趋势。左图为水滴在水稻叶表面的各向异性照片;右图为水稻叶表面的微观结构电镜照片。

    通过对水黾的腿部微结构的研究,揭示了水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应 (Nature 2004, 432, 36)。

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    一种常见的生活在池塘、河流和溪水表面的昆虫-水黾为何能毫不费力地站在水面上,并能快速地移动和跳跃?通过对其腿部微观结构的观察,我们发现水黾的这种优异的水上特性是利用其腿部特殊的微纳米结构与其表面油脂的协同效应实现的。上图是水黾腿部的微观结构电镜照片。

    受到以上研究结果的启发,研究人员仿生制备了多种各具特色的特殊浸润性界面:

    在开拓新材料领域方面:制备出具有超双疏 性质的阵列碳纳米管薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1743);制备出不需要任何昂贵低表面能物质 (如:有机氟及有机硅) 修饰就可以显示超疏水性质的聚合物薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed, 2002, 41, 1221); 首次利用双亲性聚合物制备超疏水性薄膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 800)。

    在新性能拓展方面:与化学所杨振忠研究员合作,制备了在广泛pH值范围内超疏水纳米结构碳膜(Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4217);采用静电喷涂技术制备出具有超疏水/超亲油性的油水分离网膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2012)。

    在规模化制备方面:采用电纺技术制备由纳米纤维 “捆绑”的多孔微球类荷叶状结构仿生超疏水聚合物荷叶薄膜 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4338);仿照水稻微米结构排列方式制备出三维各向异性的碳纳米管微结构阵列 (J. Am. Chem. Soc. 2004, 125, 14996);与化学所徐坚研究员合作采用一步涂敷法,成功制备了具有类似于荷叶的微米/纳米复合多级结构的超双疏聚合物涂层 (Adv. Mater. 2004, 16, 302);模拟蝉翅膀表面的微观结构制备了超疏水聚合物纳米柱膜 (ChemPhysChem 2004, 5, 750);仿照壁虎脚底刚毛结构制备具有高粘附力的超疏水聚苯乙烯薄膜 (Adv. Mater. 2005, 17, 1977)(Nature, 2004, 432,36)。

    在智能可控方面:在外场可控超疏水与超亲水可逆“开关”材料的研制上取得了重要的研究成果,实现了光响应 (J. Am. Chem. Soc. 2004,澳门微尼斯人娱乐, 126, 62) 及热响应 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 357) 的超疏水—超亲水可逆“开关”材料,该研究被评选为2004年度中国十大科技进展新闻,并分别被NatureScience杂志进行了报道。

    以上材料体系的研制,实现了学习自然、模仿自然的过程,发展了仿生纳米界面材料的新领域。

    有机固体院重点实验室

    2005年11月1日

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