海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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感谢意而斋为'自然界的纳米高手'一文配图

已有 6395 次阅读 2008-10-11 08:42 |个人分类:纳米科技

10月8日,在博客上发表了科普文章“自然界中的纳米高手”,短短几天内该文就被东大论坛、D5天空、大旗网、中奇网、百度空间、博研联盟等多家网站转载。这里特别要感谢的是意而斋先生,他特意为该文进行了配图。文章配图后终变得图文并茂,增色不少。以下是配图后的文章,再次奉献给大家。

 

自然界中的纳米高手

文:沈海军       意而斋配图

纳米是一个长度单位,指的是一米的十亿分之一。纳米技术,则是在纳米尺度(1到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,纳米材料是其主要的研究对象与基础。

事实上,纳米技术并不神秘,也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初,纳米材料和纳米技术就已经存在了,比如,那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的,所以才千奇百怪;贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的,所以才那样坚硬;植物和头发是一纳米一纳米生长的,所以才那样柔韧;荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛,所以才能不沾水,就连你们人类的身体,也是一纳米一纳米生长起来的,所以才那样复杂!

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,到诡异的海星,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细菌… 应该说,它们个个都是身怀多项纳米技术的高手。它们通过精湛的纳米技艺,或赖以糊口,或赖以御敌,一代一代,在大自然中地顽强存活着,不仅给人们留下了深刻的印象,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,人们就会很自然地联想到荷叶上滚动的露珠,即所谓的莲花效应。那么,什么原因导致了这种莲花效应呢?莲花效应又能给莲花本身带来什么好处?现代电子显微镜技术给可以帮助我们给出正确的答案。通过电子显微镜,可以观察到莲叶表面覆盖着无数尺寸约10个微米突包,而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。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。借助莲花效应,莲花可保持叶子清洁。当荷叶上有水珠时,风吹动水珠在叶面上滚动,水珠可以粘起叶面上的灰尘,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。

    

 

飞檐走壁的壁虎

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。壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛,可以使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,因此壁虎能够穿过天花板。

 

贝类——娴熟的粘合高手

普通的贝类就是与蔬菜一起烹饪、在饭店每天都可以吃到的那种,堪称纳米粘合技术的高手。当它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。

眼观六路的蛇尾海星

蛇尾海星是一种碟形的带甲壳的海底生物。它有五个触角,没有眼睛,尽管如此,它却能够敏感地感知远处潜在的天敌,并及时将触角缩进壳里。蛇尾海星的这种灵敏的感觉,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:蛇尾海星身上面长满了“眼”,即数以万计的完美的微型透镜,这样,整个毛茸茸的身体就构成了海星眼观六路的眼睛。

研究还表明,一只蛇尾海星身上的这种透镜数目大约有5万到10万,它们都是由纳米晶体的碳酸钙组成;这种完美的光敏感微型透镜系统,是海星生长过程中,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,这既可以帮助海星更有效地过滤光线,又可以校正透镜的“球面像差”, 进而发现天敌的效率。

 

 

细菌——世界上“跑”得最快的生物

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,它每秒钟可向前游动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倍体长的距离,即使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,因此水环境是鞭毛细菌自由驰骋的天地。 鞭毛的旋转速度非常快,每秒钟旋转两百到一千多转,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,它由一个中轴套上两个或四个环构成,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,而是伴随着不时的随机翻滚转向,但从表观上看仍表现为细菌的前行。

 

水面上自由行走的水黾

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能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江雷在国《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,水黾的种类不同,大小也不一样,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,这就是这种昆虫非凡浮力的原因。 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。    

 

利用“罗盘”定位的蜜蜂

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所见到的图像进行对比,直到两个图像达到一致,由此来判断自己的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进行导航,蜜蜂可以完成数公里的旅程。

   

五彩斑斓的蝴蝶

蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着迷。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它蝴蝶翅膀的表面后,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个身份标志。不同颜色的翅膀,让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就识别出同伴,甚至辨别出对方是雄是雌。

 

 

会吐丝的蜘蛛

蜘蛛的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,蜘蛛网就被扫掉了。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,那么它可以吊起上千吨重的物体,其强度可与钢索相媲美。

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、张力大的蜘丝。蜘丝由丝纤朊蛋白质组成。通常,一千根蜘丝合并后比人的头发丝还要细十分之一。

 

附1. 意而斋先生的网页:http://hi.baidu.com/duqb

附2. 意而斋先生对原文的点评:原文既然是科普,所以很多叙述只好不求甚解,配图也不一一标明出处了,细心的读者不难发现线索。不过文章前面说的万物皆“一纳米一纳米的生长”总是太过别扭。呵呵,打住。



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1 盖鑫磊

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