贝壳Ⅳ:冰模仿生

从古战场的用"冰"如神,到文学艺术中的冰花雪韵,再到科学家手中的冰棱魔模,冰雪赋予各行各业的人以创造灵感.科学家利用水结冰时的杂质偏析现象,让冰棱在三氧化二铝陶瓷悬浮液中定向生长,形成复杂奇妙的冰棱模,析出层状多孔陶瓷,蒸发去水并注入聚合物,再压实,烧结,获得具有矿物桥的层合仿生陶瓷,韧性比组分材料高300多倍,模拟了贝壳珍珠母层的增韧机制.     

视场拼接复眼成像系统结构及装调方法

提出了以高分辨率、小视场的子眼镜头为中心,曲面阵列化排布多个分辨率较低、视场大的边缘阵列子眼镜头的人工仿生复眼的结构形式.基于物方视场空间应该保证无缝拼接并尽量缩小重合区域的原则,分析并得到子眼镜头在X方向和Y方向上视场角与复眼系统总体视场角的数学关系式,推导出了边缘阵列子眼镜头的周期阵列数n的数学模型,确定了子眼镜头在曲面上的阵列排布方式.依据曲面阵列排布形式设计了子眼镜头曲面固定本体,提出了利用自带光源的自准直经纬仪及计算机图像处理技术的装调方法.在实际装配和调整过程中,完成了中心子眼镜头和边缘第一阵列子眼镜头的安装,利用该系统采集图像数据,结果表明:物方视场空间的实际重合区域与理论设计一致.     

选择性传输的仿生水通道的研究进展

水通道蛋白是对水分子具有高选择性和渗透性的跨膜蛋白。仿生水通道是由各种无机或有机材料,如碳纳米材料、有机化合物以及肽等分别自组装而成,旨在模仿天然水通道蛋白的结构和功能。本文介绍了水通道蛋白的种类、结构及其特异性透水机理,在此基础上分别对以碳纳米材料、有机及肽孔的仿生水通道的研究进展进行了综述。重点阐述了三类仿生水通道的材料特性及其对仿生水通道结构和功能的影响。最后针对现有仿生水通道的不足,提出了开发新型仿生水通道面临的挑战,并展望了仿生水通道的发展前景。     

冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟

通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。     

以蛋清蛋白及半透膜为模板调控碳酸钙的仿生合成

依据生物矿化的基本原理,以蛋清蛋白为基质,透析袋组成隔室,在仿生条件下,诱导碳酸钙的合成。扫描电子显微镜和红外测试结果表明,半透膜和蛋白质虽然直接影响碳酸钙的形貌,但在半透膜和蛋清蛋白调控下生成的碳酸钙均为球霰石型晶体。实验结果表明,半透膜的选择性透过功能不仅限制了蛋白质的自由移动,同时也限制了蛋白质和Ca2+配合物的自由移动,从而为制备特殊形貌的碳酸钙固体提供了基础。     

棒状纳米纤维素仿生矿化及光谱分析

以棒状纳米纤维素为模板,采用仿生矿化的方法制备纳米纤维素/纳米羟基磷灰石复合材料。并利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜能谱分析(SEM-EDAX)对仿生矿化前后纳米纤维素中碳、氧、钙、磷元素的变化情况及分布状态进行了表征,并探讨了纳米羟基磷灰石的生长机理。结果表明纳米纤维素表面形成了纳米羟基磷灰石;纳米纤维素的碳氧比为1.81,仿生矿化后下降为1.54;仿生矿化后纳米纤维素的钙磷比nCa/nP=1.70;纳米羟基磷灰石成核是在纳米纤维素的羟基上,并且纳米纤维素表面羟基和纳米羟基磷灰石的钙离子之间发生了配位作用。纳米羟基磷灰石较为均一的形成在纳米纤维素的基体中。通过原子力显微镜(AFM)图片可以看出,直径为20nm左右的羟基磷灰石生长在纳米纤维素的表面。     

CdS量子点的酿酒酵母仿生合成及光谱表征

以酿酒酵母为载体,常温下利用仿生法成功合成了CdS量子点。荧光发射光谱、紫外吸收光谱以及荧光显微镜照片证明,该方法合成的CdS量子点的荧光发射峰位置在443nm,在紫外灯下能发蓝绿色荧光。透射电子显微镜(TEM)表征结果表明,该仿生法合成的CdS量子点为六方纤锌矿结构。以荧光发射和紫外吸收光谱为性能指标,考察了酿酒酵母生长时期、Cd2+的反应浓度以及反应时间等条件对合成CdS量子点的影响。当酿酒酵母处于生长稳定期初期时,与浓度为0.5mmol.L-1的Cd2+共培养24h后所合成的CdS量子点荧光最强。实验中观察到,换液培养可有效提高酿酒酵母合成CdS量子点的产量。     

交联酶聚集体与仿生硅化技术结合制备固定化脂肪酶

将交联酶聚集体(CLEAs)与仿生硅化技术相结合,制备了交联脂肪酶Candidasp.99-125杂化生物催化剂.以京尼平为交联剂,在最佳条件下制得的脂肪酶CLEAs的酶活达771U/g,回收率达75%;保护剂聚乙烯亚胺(PEI)与Candidasp.99-125脂肪酶共沉淀制备P/CLEAs,其酶活达897U/g,回收率约88%;利用PEI的诱导作用,在P/CLEAs表面形成氧化硅涂层,制得的脂肪酶CLEAs(Coated-CLEAs)显示出良好的稳定性,特别是其抗蛋白酶水解能力、有机溶剂耐受能力、重复使用性能等方面明显提高.     

体积排阻高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法测定海产贝类中镉的形态

运用体积排阻高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(SEC-HPLC-ICP-MS)分析了高镉积累扇贝和低镉积累菲律宾蛤仔中镉的存在形态,并结合体外全仿生消化技术,研究了在唾液、胃、肠无机物和有机物(含消化酶)作用下,扇贝和菲律宾蛤仔中镉的主要存在形态.结果发现:扇贝中Cd总量约为菲律宾蛤仔的10倍;在扇贝中检测到3种Cd形态:金属硫蛋白(MT)-Cd、谷胱甘肽(GSH) Cd和半胱氨酸(Cys)-Cd;在菲律宾蛤仔中检测到2种Cd形态:MT-Cd和GSH-Cd;以峰面积作参考进行比较,扇贝中MT-Cd和GSH-Cd含量分别约为菲律宾蛤仔的5 6和2.0倍.结合体外全仿生模型发现,在扇贝胃全仿生提取液中,检测到1种未知小分子有机镉形态(Cd-X),在扇贝肠全仿生提取液中检测到4种Cd形态,其中MT-Cd是主要形态;而在菲律宾蛤仔胃、肠全仿生提取液中均仅检测到1种未知小分子有机态镉(Cd-X).本实验证明贝类中的MT-Cd,GSH-Cd,Cys-Cd中络合的Cd在生物体胃肠消化液作用下会发生解离.     

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究

根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约8％;两种叶片的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约10％～20％。新设计的叶片具有较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。