仿壁虎和贻贝黏附材料

自然界中的动物和植物经过45亿年长期的进化使其结构与功能达到近乎完美的程度,实现了结构与功能的统一。黏附材料在生物医学、建筑等领域都具有重要的应用价值。受自然界中具有优异黏附特性的生物材料启发(如壁虎、贻贝等),国内外许多课题组相继开展了仿生黏附材料的研究。根据黏附机理的不同,黏附材料大致可分为可逆黏附和永久黏附两大类。壁虎的可逆黏附是基于其脚趾多尺度微纳结构与接触面间的范德华力,贻贝的永久黏附则源自其分泌的黏附蛋白。本文就壁虎、贻贝及其他生物黏附材料的黏附机理及其相应仿生黏附材料的国内外研究现状进行简要的综述,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

仿生微纳米纤维黏附材料

自然界中功能与结构相统一的生物材料是人类社会创新的灵感源泉。在众多具有优异性能的生物材料中,具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维一直是仿生研究领域的热点之一。生物微纳米纤维黏附现象是自然界中存在的一类奇特的现象,众多具有特殊黏附性质和功能的生物微纳米纤维材料在生物运动、防御和猎物捕获等方面都具有重要的作用。生物微纳米纤维黏附主要包括纤维尖端的黏附和表面的黏附,如壁虎脚刚毛尖端的黏附和蜘蛛丝表面的黏附。研究表明生物微纳米纤维黏附作用主要来源于其特殊的微纳米结构和表面性质。受自然界中具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维启发,人们设计和开发了众多性能优异的仿生微纳米纤维黏附材料。微纳米纤维黏附材料在干态粘胶、高效集水和空气过滤等领域都具有重要的应用价值。本文综述了壁虎脚刚毛、蜘蛛丝等生物微纳米纤维的黏附机理及其相应仿生材料的研究进展,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

仿生多微纳米梯度界面的液滴动态行为调控

对液滴在界面上动态行为的研究是化学和材料领域的一个重要方向,许多先进的表面和界面技术,比如集水、防覆冰、防雾、微流体控制和传热等,均属于这一范畴.通过模仿自然界中具有特殊微纳米结构和特定化学组成的生物表面,设计并构筑相应具有特殊浸润性的仿生界面,对仿生界面材料的技术应用起到了良好的先导与示范作用.本文结合本课题组的研究...     

动态硼酸酯键管控邻苯二酚基团与功能黏附性高分子设计

“黏附”是一种普遍存在的多尺度相互作用,其实质是界面处化学键、氢键或范德华力等的形成.近年来,在贻贝仿生的基础上将黏性因子邻苯二酚基团嵌入到动态硼酸酯聚合物中,成为了功能黏附性高分子的重要发展方向.本专论从分子黏附、微/纳表面黏附和宏观表面黏附3个尺度,介绍硼酸酯键管控邻苯二酚基团在高分子材料功能化方面的研究进展.分子黏附,主要讨论硼酸酯聚合物中邻苯二酚基团与分子或离子相互作用规律及其对材料形貌和刺激响应性能的调控;微/纳表面黏附,论述硼酸酯聚合物体系超分子驱动力和组装机制,介绍其在微/纳材料功能化改性方面的研究进展;宏观表面黏附,讨论硼酸酯键管控邻苯二酚基团与黏附性能调控的关联规律,介绍硼酸酯聚合物功能黏附材料在宏观组装、攀爬机器人领域的应用.最后,从新型硼酸酯聚合物设计、动态键精准管控和器件化应用的角度,对该领域未来前景和发展趋势做出了展望.     

多功能超润湿材料的设计制备与应用

仿生超润湿材料是指类似自然界中生命体具有的特殊浸润界面性质的一类材料。近20年来,研究人员通过模仿自然,揭示了一系列超润湿界面材料的构建机理,设计制备了多种仿生超润湿材料,并将这些具有特殊表面浸润性能的材料拓展应用到了国防、军工、航空航天、建筑、农业、医疗、海洋防污等众多领域。本文首先介绍表面润湿现象的基础理论,接着从仿生的角度出发,介绍了以仿荷叶、鱼鳞、沙漠甲虫、猪笼草为代表的几种拥有不同表面浸润性能的材料,并总结了这几种材料的仿生设计原理、结构与性能的关系以及所面临的问题。综述了近年来仿生超润湿材料在防污抗菌、防雾防霜防覆冰、油水分离等方面的应用进展,最后展望了仿生超润湿材料的发展方向。     

仿生超浸润界面传感技术在生物分析中的应用

仿生超浸润界面材料是构建高灵敏度、高特异性生物传感器的一类新兴材料,广泛适用于环境监测、生物医药、食品分析等领域。本文介绍了4种典型的超浸润界面,包括超疏水界面、超亲水界面、超润滑界面以及图案化浸润性界面,总结了界面浸润性调控在电化学、荧光、可视化、表面增强拉曼和可穿戴检测器件等技术中的研究和最新进展,阐述了传感器构建机理和检测机制。最后,对仿生超浸润界面传感技术在生命分析应用中存在的问题和现存的挑战进行了总结和讨论。     

水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的研究进展

水下超疏油表面由于在防污材料、微流控技术、生物粘附等方面具有广泛的应用前景,已经引起人们的普遍关注。本文简单介绍了浸润性在液相体系的相关概念及基础理论,综述了自然界中的水下超疏油低粘附生物体典型实例以及水下超疏油仿生特殊粘附界面材料的仿生制备和智能调控,并对水下超疏油仿生界面材料的发展进行了展望。     

视觉感知功能化有机光电器件研究进展

视觉感知是人与自然界最为重要的交互方式之一,提供了人体80%以上的外部环境信息.基于此,视觉仿生成为智能感知材料与器件研究中的前沿方向.过去30年,基于有机半导体的光电传感与感知器件历经多代发展,创新了光刺激(强度、色度等)的高灵敏度和选择性传感检测,并拓展了复杂的类生物视觉信号识别、学习与处理功能,已经成为新兴的跨学科领域.本文从单元光敏感的有机光电器件和多功能集成,介绍面向视觉感知功能化的有机光探测器、有机光电突触和有机适应型器件的构建策略和研究进展,并从柔性矩阵化和功能集成的视觉信号成像、学习与编码概述了新一代有机智能感知电子器件的仿生应用探索.     

水/醇溶聚合物界面材料在聚合物光电器件中的应用及性能研究

系统研究了系列不同共轭与非共轭水/醇溶聚合物作为界面修饰材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的应用及结构性能关系. 研究了界面层厚度, 器件金属电极功函对材料界面修饰性能的影响. 在此基础上, 系统对比研究了共轭与非共轭水/醇溶聚合物界面材料在不同聚合物光电器件中界面修饰性能的差别. 内建电势测试与器件研究结果表明, 在聚合物发光二极管中, 共轭材料表现出明显优于非共轭材料的性能, 特别是在超高功函数的金属金电极器件中, 共轭的水/醇溶聚合物材料依然表现出很好的电子注入/传输性能; 在聚合物太阳电池中, 共轭材料的界面修饰性能也优于非共轭类界面修饰材料.     

仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料

采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域. 天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高), 为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景. 受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法. 本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展, 并提出了一些看法和思考.     

仿生表面液固界面摩擦力的动态调控

仿生超疏水材料在自清洁、防雾抗冰、油水分离、集水等领域有着重要应用;而在不同疏水状态之间的转换将大大促进仿生超疏水材料在智能技术领域的应用.利用软印刷技术将玫瑰花表面微观结构转印到聚氨酯弹性体PU膜表面,利用机械应力实现表面微结构的动态实时调控,实现了表面微观结构在各向同性与各向异性之间的可逆转换;利用毛细管投影传感技...     

高分子固液复合界面与液体黏附调控

受猪笼草口缘区润滑效应启发,将低表面能液体注入高分子微纳米多孔结构中可构筑高分子固液复合界面.与超疏水固体界面相比,固液复合界面展现出独特的浸润性和黏附性.界面黏附是高分子复合材料重要的性质之一,实现界面黏附的精准调控对促进这类材料的发展和应用具有至关重要的作用.本文重点从稳定性调控、方向性调控以及原位可逆调控3个方面综述提升固液复合界面黏附可控性的工作,通过在表面微米结构中组装纳米层状及异质纳米层状结构,提高界面黏附的稳定性;使用界面薄层定向冷冻干燥法、激光刻蚀法以及复型法等方法,构筑具有取向结构的高分子固液复合界面,实现界面黏附的方向性调控;通过在界面中引入快速响应的智能基元,设计智能响应高分子固液复合界面,实现界面黏附的原位可逆调控.最后,概述了这类材料目前存在的问题并展望了其未来发展的方向.     

Layered nanocomposites inspired by the structure and mechanical properties of nacre

Nacre (mother-of-pearl), made of inorganic and organic constituents (95 vol% aragonite calcium carbonate (CaCO(3)) platelets and 5 vol% elastic biopolymers), possesses a unique combination of remarkable strength and toughness, which is compatible for conventional high performance materials. The excellent mechanical properties are related to its hierarchical structure and precisely designed organic-inorganic interface. The rational design of aragonite platelet strength, aspect ratio of aragonite platelets, and interface strength ensures that the strength of nacre is maximized under platelet pull-out failure mode. At the same time, the synergy of strain hardening mechanisms acting over multiple scales results in platelets sliding on one another, and thus maximizes the energy dissipation of viscoplastic biopolymers. The excellent integrated mechanical properties with hierarchical structure have inspired chemists and materials scientists to develop biomimetic strategies for artificial nacre materials. This critical review presents a broad overview of the state-of-the-art work on the preparation of layered organic-inorganic nanocomposites inspired by nacre, in particular, the advantages and disadvantages of various biomimetic strategies. Discussion is focused on the effect of the layered structure, interface, and component loading on strength and toughness of nacre-mimic layered nanocomposites (148 references).     

柔性电子学中的表界面化学

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、 化学、 物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、 可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、 导电层、 功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、 可靠性、 对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.     

Bioinspired synthetic wet adhesives: from permanent bonding to reversible regulation

Nowadays, robust underwater adhesives products are highly demanded both in industrial and biomedical fields. Meanwhile, study of the underwater adhesion mechanism of natural organisms under fluid environment is necessary, which provides inspiration for engineering adhesive materials that can be used in wet environment. Scientists are committed to discovering the unique adhesion mechanisms of protein adhesives for natural organisms. Especially, recent understanding of wet adhesion mechanisms provides designable inspiration for developing novel synthetic underwater adhesives with high performance by using 3,4-dihydroxyphenylalanine-based and coacervate-enabled strategies. Although pursuing robust interface bonding in these years, controlling the wet adhesion state with reversible/switchable feature is the latest goal for developing intelligent biomimetic adhesives, which implies important applications in multiple fields.     

pH responsive adhesion of phospholipid vesicle on poly(acrylic acid) cushion grafted to poly(ethylene terephthalate) surface

Polymer-supported lipid bilayer is a key enabling technology for the design and fabrication of novel biomimetic devices. To date, the physical driving force underlying the formation of polymer-supported lipid bilayer remains to be determined. In this study, the interaction between dipalmitoylphosphocholine (DPPC) vesicle and poly(ethylene terephthalate) [PET] surface with or without grafted poly(acrylic acid) [PAA] layer is examined with several biophysical techniques. First, vesicle deformation analysis shows that the geometry of adherent vesicle on either plain PET or PAA-grafted PET surface is best described by a truncated sphere model. At neutral pH, the degree of deformation and adhesion energy are unaltered by the grafted polymerization of acrylic acid on PET surface. Interestingly, the average magnitude of adhesion energy is increased by 185% and −43% on PAA-grated PET and plain PET surface, respectively, towards an increase of pH at room temperature. Our results demonstrate the possibility of tuning the adhesive interaction between vesicle and polymer cushion through the control of polyelectrolyte ionization on the solid support.     

Interfaces and interphases in multicomponent materials: past, present, future

Interfacial interactions and interphases play a key role in all multicomponent materials irrespectively of the number and type of their components or their actual structure. They are equally important in particulate filled polymer, polymer blends, fiber reinforced advanced composites, nanocomposites or biomimetic materials. Recognition of the role of the main factors influencing interfacial adhesion and proper surface modification may lead to significant progress in many fields of research and development, as well as in related technologies. Although the role and importance of interfaces and interphases are the same for all multicomponent materials, surface modification must be always selected according to the objectives targeted, as well as to the characteristics of the particular system. Efficient surface treatment or coupling alone might not achieve the desired goal, we must always keep in mind that an interphase forms always in such materials and the control of interphase properties must be part of the modification philosophy. The use of multiphase, multicomponent materials is expected to grow with a larger than average rate also in the future. It is important to keep the interdisciplinary nature of the area, since principles and techniques developed by one field may find application also in other areas.     

Modular Architecture of Protein Binding Units for Designing Properties of Cellulose Nanomaterials

Molecular biomimetic models suggest that proteins in the soft matrix of nanocomposites have a multimodular architecture. Engineered proteins were used together with nanofibrillated cellulose (NFC) to show how this type of architecture leads to function. The proteins consist of two cellulose‐binding modules (CBM) separated by 12‐, 24‐, or 48‐mer linkers. Engineering the linkers has a considerable effects on the interaction between protein and NFC in both wet colloidal state and a dry film. The protein optionally incorporates a multimerizing hydrophobin (HFB) domain connected by another linker. The modular structure explains effects in the hydrated gel state, as well as the deformation of composite materials through stress distribution and crosslinking. Based on this work, strategies can be suggested for tuning the mechanical properties of materials through the coupling of protein modules and their interlinking architectures.