海洋生物水下粘附机理及仿生研究

生物粘附行为往往是生物在长期进化过程中获得的一种特殊功能或者生存能力，然而仿生水下粘附材料和结构如何充分再现生物材料的自适应能力一直是工程材料领域的研究难点. 本文作者基于自然界中丰富的粘附方式，详细介绍了几类典型海洋生物(贻贝、藤壶、沙塔蠕虫、章鱼、?鱼、鲍鱼、海胆)的水下粘附机理，并概述了相关的仿生设计(如DOPA改性水凝胶、吸盘贴、海胆机器人等)及其应用前景. 最后，对目前海洋生物粘附机理和相关仿生研究进行归纳总结，阐述存在的问题，提出深入研究典型海洋粘附生物“粘附-脱附”的动态过程和调控机理的必要性，并进一步指出仿生粘附研究在未来可逆、可控、绿色的发展方向和趋势.      

超高真空下过渡金属Nb与Nb、Ta、Ti、W相互间粘附特性的试验研究

本文在超高真空(10~(-7)Pa)条件下量测了Nb-Nb(110)、Nb-Ta(110)、Nb-W(110)及Nb-Ti4个粘附对的粘附力,并从接触表面形貌的角度求得了真实接触面积,进而得到了各粘附对间的粘附强度,结果与采用简单紧束缚自洽矩方法计算所得理论结果一致。研究表明,超高真空下过渡金属间存在一种相互作用——由两金属间共用电子引起的化学键,而且主要由其外层d电子态密度所决定。过渡金属Nb与Nb、Ta、W、Ti之间粘附强度的实测值介于每对原子0.2～2.0eV之间。当样品受热升温后,由于C、N、B、S等少量非金属杂质的表面偏析致使粘附强度明显降低。     

微液滴在仿蛛丝结构TiO_2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO2纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO2纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO2纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝结构TiO2纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

稀土元素对合金高温氧化的影响

研究表明在形成Cr2O3/Al2O3膜的合金内添加微量稀土元素,可促进Cr/Al的选择性氧化,改变Cr2O3/Al2O3膜的生长传质机制,降低氧化膜的生长速率并改善其粘附性,从而显著提高合金的抗高温氧化性能。然而,稀土元素对合金高温氧化行为的影响机制目前尚存争议。在系统归纳近年来前人研究成果的基础上,对已有稀土元素微观作用模型进行了总结,并从稀土元素对Cr2O3和Al2O3膜的生长传质机制和氧化膜及氧化膜与金属基体界面的物理、化学特性的影响等方面探讨了其作用机制。     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

贻贝足的共聚焦显微拉曼光谱分析

贻贝对各种海洋环境具有广泛适应性,范围从浅海跨越到深海热液、冷泉等极端环境。贻贝主要通过其足组织分泌的蛋白形成足丝附着于岩石等固体表面,这种蛋白是一种可再生、不受水环境影响的性能良好的天然生物胶黏剂,得益于分泌蛋白的性质,足丝在水下具有黏附性强、韧性高、耐水性优良等特性,在生物材料学、医学等方面具有很好的开发潜力和应用前景,已经是国内外研究热点之一。拉曼光谱是一种非接触的、无损的可以提供分子生物化学信息的检测技术。足丝是贻贝足腺体的外在表达形式,结合扫描电镜和共聚焦显微拉曼光谱技术,从贻贝足丝的表观差异到贻贝足腺体的分泌蛋白组分和分布特征,基于深海和浅海贻贝足丝的扫描电镜表征的表观形态差异,对两种贻贝足组织分别进行共聚焦显微拉曼光谱检测,得到两种贻贝的3个腺体的拉曼光谱和腺体局部区域的2D拉曼彩色分布图,从外在表现形式足丝到内部足腺体分布,通过对比两种贻贝的3个腺体的成分以及相对分布,分析造成两种贻贝足丝差异的内在腺体分布情况,此外结合两种贻贝生存环境的差异,认为贻贝的足丝外观差异以及其内部腺体分布是贻贝应对浅海和深海冷泉完全不同理化环境的一种环境适应机制。基于实验结果得到如下结论,拉曼光谱表明两种贻贝足腺体组成:表征核心腺体的amideⅢ信号位于1 242和1 269 cm^-1位置的2个峰的峰强度相对其他两个峰(1 318和1 337 cm^-1)较高,表现为有序高级的蛋白构象,外皮和粘附盘腺体含有丰富的酪氨酸(643, 830, 850和1 615 cm^-1)和3, 4-二羟基苯丙氨酸(多巴, DOPA,785 cm^-1);浅海贻贝在1 043 cm^-1位置有高强度的胶原蛋白信号。拉曼成像呈现两种贻贝腺体分布特征:深海贻贝表现为较为集中的腺体分布,浅海贻贝腺体分布较为分散,表明贻贝为适应不同环境形成不同的腺体分布机制。由此可见,拉曼光谱可以用于研究不同环境下生存的贻贝的足腺体分布特性,并在生物样品微观分析中更多的应用。     

姜黄素对人肝癌HepG2细胞毒性的分析

该文结合倒置显微镜、原子力显微镜(AFM)、CCK-8和流式细胞术定性定量研究了姜黄素对人肝癌细胞株HepG2细胞的毒性.AFM探测结果表明,姜黄素能够引起细胞发生不同程度的形变.细胞体积和高度均随细胞形变程度的加深而下降.细胞表面平均粗糙度(Ra)、均方根粗糙度(Rq)和粒径分布均随细胞形变程度的加深而增大.而AFM...     

钇对Fe-Cr-Al合金氧化膜粘附性的影响

利用热重分析,扫描电镜及能谱分析等手段研究了合金中弥散分布的Ｙ,Ｙ２Ｏ３及离子注入Ｙ＾＋对Ｆｅ－２３Ｃｒ－５Ａｌ合金１１００℃恒温氧化行为的影响。不含Ｙ的Ｆｅ２３Ｃｒ５Ａｌ合金氧化膜起皱,长时间氧化后冷却过程中膜发生开裂剥落。合金离子注入１＊１０＾１７Ｙ＾＋／ｃｍ＾２后氧化膜粘附性得到了改善。合金中加入弥散的Ｙ或Ｙ２Ｏ３改变了氧化膜形貌,膜平坦致密,不开裂剥落,不含Ｙ的Ｆｅ２３Ｃｒ５Ａｌ合金氧化膜皱褶形貌的形成及膜发生剥落的原因与氧化膜生长机制及合金中Ｓ的界面偏聚有关,Ｙ提高Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金氧化膜粘附性的原因主要在Ｙ易与Ｓ形成稳定的硫化物,从而阻止了Ｓ在膜／合金界面偏聚。Ｙ提高Ａｌ２Ｏ３膜粘附性的原因还在于改变了Ａｌ２Ｏ３膜的生长机制。     

A cellular scale numerical study of the effect of mechanical properties of erythrocytes on the near-wall motion of platelets

The effect of mechanical properties of erythrocytes on the near-wall motion of platelets was numerically studied with the immersed boundary method. Cells were modeled as viscous-fluid-filled capsules surrounded by hyper-elastic membranes with negligible thickness. The numerical results show that with the increase of hematocrit, the near-wall approaching of platelets is enhanced, with which platelets exhibit larger deformation and orientation angle of its near-wall tank-treading motion, and the lateral force pushing platelets to the wall is increased with larger fluctuation amplitude. Meanwhile the near-wall approaching is reduced by increasing the stiffness of erythrocytes.