简介
仿生智能纳米材料是利用自然的仿生原理来设计合成的具有特殊优异性能的功能和智能材料。它是材料、化学、物理、生物、纳米技术、先进制造技术、信息技术等多学科交叉的前沿研究热点之一。仿生智能纳米材料的设计、可控制备和结构性能表征均涉及材料科学的*前沿领域，代表了材料科学的*活跃方面和***的发展方向，它将对经济、社会、科学技术的发展产生十分重要的影响。 本书一书汇聚了作者多年来在该领域的研究成果，同时介绍了国内外同行**的研究进展。本书图文并茂、深入浅出，从具有特殊优异性能的生物原型材料入手，将仿生材料的设计理念、材料结构与功能关系、智能驱动原理及在生产、生活中的应用进行了系统的介绍。
目录
目录
《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章仿生智能纳米材料概述1
1.1仿生纳米材料的概念1
1.2仿生纳米材料的智能性2
1.3仿生材料的研究内容3
1.3.1材料的仿生制备3
1.3.2结构仿生和功能仿生6
1.3.3仿生能源材料与器件12
参考文献15
第2章仿生智能纳米孔道19
2.1概述19
2.1.1生物孔道与仿生原理19
2.1.2仿生仿生固体纳米孔道21
2.1.3仿生智能纳米孔道响应性纳米孔道24
2.1.4智能纳米孔道及其功能化26
2.2纳米孔道离子输运特性基本理论28
2.2.1双电层理论28
2.2.2纳米孔中的电动效应29
2.2.3纳米孔中的电动理论34
2.2.4纳米孔器件37
2.2.5能量转换39
2.3生物与仿生孔道体系42
2.3.1蛋白质孔道42
2.3.2仿生固体纳米孔道（非响应性）45
2.3.3仿生智能纳米孔道（响应性）45
2.4基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系58
2.4.1基于纳米孔道的机械能电能转换59
2.4.2基于仿生智能纳米孔道的盐差能转换63
2.4.3基于仿生智能纳米孔道的其他先进能源转换体系65
2.4.4结论与展望69
参考文献69
第3章微流控芯片实验室75
3.1微流控芯片实验室技术的介绍75
3.2微流控芯片材料与制备技术80
3.2.1微流控芯片材料80
3.2.2硅、玻璃和石英微流控芯片的制备技术82
3.2.3高分子聚合物微流控芯片的制备技术87
3.3微流控芯片中微流体的控制技术91
3.3.1微流体的驱动与控制技术91
3.3.2进样与样品预处理技术94
3.3.3微混合微混合与微反应微反应技术98
3.4微流控芯片的检测技术103
3.5微流控芯片的应用104
3.5.1在核酸研究中的应用104
3.5.2在蛋白质研究中的应用105
3.5.3在离子和小分子研究中的应用106
3.5.4在细胞水平上的应用107
3.5.5在细胞全分析中的应用109
参考文献110
第4章仿生表面梯度材料116
4.1生物表面生物表面的梯度梯度特征与功能116
4.1.1润湿蜘蛛丝蜘蛛丝的方向集水性集水性116
4.1.2超疏水蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀的方向性黏附方向性黏附121
4.1.3微液在荷叶表面动态悬浮和微纳米结构润湿性梯度润湿性梯度125
4.1.4荷叶叶缘限流128
4.1.5阶梯阶梯锯齿的超顺磁微滴行为的各向异性各向异性133
4.1.6沙漠甲虫甲虫取水136
4.1.7水黾腿水黾腿的疏水结构137
4.1.8水鸟啄食的毛细毛细棘轮效应138
4.1.9非对称非对称的纳米结构与液滴定向铺展定向铺展139
4.1.10植物植物中水的运输遵循Murray定律140
4.1.11树木集水方式140
4.2典型梯度表面的可控制备141
4.2.1倾斜几何梯度几何梯度表面的制备141
4.2.2曲率粗糙梯度曲率粗糙梯度纤维的制备152
4.2.3类甲壳虫异质图案异质图案的表面163
4.2.4类水黾腿表面的**超疏水性165
4.2.5小结168
参考文献168
第5章仿生智能人工肌肉172
5.1引言172
5.2形状记忆合金与聚合物173
5.2.1形状记忆合金173
5.2.2形状记忆聚合物178
5.3电活性聚合物184
5.3.1介电弹性体184
5.3.2纳米碳材料驱动器190
5.3.3导电聚合物导电聚合物197
5.3.4离子聚合物金属复合物离子聚合物金属复合物209
5.4非电场响应的聚合物及其复合材料216
5.4.1热、光致形变聚合物216
5.4.2湿度诱导形变聚合物湿度诱导形变聚合物220
5.4.3生物分子人工肌肉生物分子人工肌肉223
5.5本章小结226
参考文献226
第6章仿生结构纳米材料238
6.1引言238
6.2仿生高强超韧层状复合材料复合材料——贝壳珍珠层239
6.2.1贝壳珍珠层的组成与结构240
6.2.2贝壳珍珠层层状结构的增韧机制242
6.2.3贝壳珍珠层层状结构的仿生制备243
6.3天然多级蜂窝形多孔材料多孔材料248
6.3.1云杉等木材中的蜂窝型结构249
6.3.2松质骨蜂窝型结构250
6.3.3玻璃海绵多孔结构252
6.3.4鸟类喙蜂窝型结构256
6.4天然多级多尺度多尺度复合材料261
6.4.1海洋生物扭曲夹板纤维复合结构261
6.4.2密质骨类多级复合结构材料263
6.4.3牙齿釉质多级复合结构材料266
6.5仿生空心结构材料267
6.6结论与展望268
参考文献268
第7章仿生纤维材料273
7.1引言273
7.2天然生物纤维274
7.2.1植物纤维274
7.2.2动物纤维279
7.3人造纤维材料284
7.3.1制备方法284
7.4静电纺丝法制备仿生纳米纤维材料及应用285
7.4.1静电纺丝技术简介285
7.4.2仿生制备单根纤维286
7.4.3仿生制备有序纤维结构291
7.4.4电纺纤维性质及应用293
7.5总结与展望297
参考文献297
第8章仿生自修复材料304
8.1仿生自修复材料简介304
8.2高分子材料自修复概念的发展305
8.3**代和第二代自修复高分子材料306
8.3.1**代自修复高分子材料306
8.3.2第二代自修复高分子材料307
8.4基于可逆化学键的自修复高分子309
8.4.1基于可逆共价键可逆共价键的自修复高分子309
8.4.2基于可逆非共价键可逆非共价键的自修复高分子312
8.5基于其他机理的自修复高分子314
8.6自感应型自修复高分子的发展316
8.7自修复高分子研究展望318
8.8自修复无机材料319
8.8.1自修复金属材料自修复金属材料319
8.8.2自修复无机非金属材料自修复无机非金属材料320
8.9仿生自修复材料的应用前景322
参考文献322
第9章仿生智能光电转换材料与器件327
9.1生命中的光能利用系统327
9.2仿生能量转换材料的设计思路329
9.3智能纳米孔道在能量转换中的应用332
9.3.1模仿电鳗鱼——将化学能转换为电能332
9.3.2模仿绿叶——将光能转换为化学能335
9.3.3模仿菌紫质——将光能转换为电能337
9.4仿生微纳米结构光电功能材料340
9.4.1染料敏化太阳能电池的工作原理340
9.4.2染料敏化太阳能电池器件的组成部分342
9.4.3微纳米多尺度结构在染料敏化太阳能电池中的应用344
9.5展望354
参考文献354
第10章生物能源357
10.1生物质与生物能源转化357
10.1.1生物能源概念357
10.1.2生物质的能源利用方式与转化357
10.1.3生物能源的意义360
10.2生物能源生物转化技术360
10.2.1生物乙醇360
10.2.2生物丁醇372
10.2.3厌氧消化产沼气377
10.2.4生物制氢383
10.2.5微生物燃料电池388
参考文献393
第11章仿生传热、隔热材料396
11.1强化传热材料396
11.1.1沸腾传热沸腾传热396
11.1.2特殊浸润性表面的冷凝传热421
11.2高效隔热材料隔热材料431
11.2.1隔热材料的分类431
11.2.2多空腔多空腔纤维/管材料432
11.2.3具有多尺寸内部结构的零维微/纳米材料442
11.2.4气凝胶气凝胶453
参考文献464
索引474
《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章仿生智能纳米材料概述1
1.1仿生纳米材料的概念1
1.2仿生纳米材料的智能性2
1.3仿生材料的研究内容3
1.3.1材料的仿生制备3
1.3.2结构仿生和功能仿生6
1.3.3仿生能源材料与器件12
参考文献15
第2章仿生智能纳米孔道19
2.1概述19
2.1.1生物孔道与仿生原理19
2.1.2仿生仿生固体纳米孔道21
2.1.3仿生智能纳米孔道响应性纳米孔道24
2.1.4智能纳米孔道及其功能化26
2.2纳米孔道离子输运特性基本理论28
2.2.1双电层理论28
2.2.2纳米孔中的电动效应29
2.2.3纳米孔中的电动理论34
2.2.4纳米孔器件37
2.2.5能量转换39
2.3生物与仿生孔道体系42
2.3.1蛋白质孔道42
2.3.2仿生固体纳米孔道（非响应性）45
2.3.3仿生智能纳米孔道（响应性）45
2.4基于仿生智能纳米孔道的先进能源转换体系58
2.4.1基于纳米孔道的机械能电能转换59
2.4.2基于仿生智能纳米孔道的盐差能转换63
2.4.3基于仿生智能纳米孔道的其他先进能源转换体系65
2.4.4结论与展望69
参考文献69
第3章微流控芯片实验室75
3.1微流控芯片实验室技术的介绍75
3.2微流控芯片材料与制备技术80
3.2.1微流控芯片材料80
3.2.2硅、玻璃和石英微流控芯片的制备技术82
3.2.3高分子聚合物微流控芯片的制备技术87
3.3微流控芯片中微流体的控制技术91
3.3.1微流体的驱动与控制技术91
3.3.2进样与样品预处理技术94
3.3.3微混合微混合与微反应微反应技术98
3.4微流控芯片的检测技术103
3.5微流控芯片的应用104
3.5.1在核酸研究中的应用104
3.5.2在蛋白质研究中的应用105
3.5.3在离子和小分子研究中的应用106
3.5.4在细胞水平上的应用107
3.5.5在细胞全分析中的应用109
参考文献110
第4章仿生表面梯度材料116
4.1生物表面生物表面的梯度梯度特征与功能116
4.1.1润湿蜘蛛丝蜘蛛丝的方向集水性集水性116
4.1.2超疏水蝴蝶翅膀蝴蝶翅膀的方向性黏附方向性黏附121
4.1.3微液在荷叶表面动态悬浮和微纳米结构润湿性梯度润湿性梯度125
4.1.4荷叶叶缘限流128
4.1.5阶梯阶梯锯齿的超顺磁微滴行为的各向异性各向异性133
4.1.6沙漠甲虫甲虫取水136
4.1.7水黾腿水黾腿的疏水结构137
4.1.8水鸟啄食的毛细毛细棘轮效应138
4.1.9非对称非对称的纳米结构与液滴定向铺展定向铺展139
4.1.10植物植物中水的运输遵循Murray定律140
4.1.11树木集水方式140
4.2典型梯度表面的可控制备141
4.2.1倾斜几何梯度几何梯度表面的制备141
4.2.2曲率粗糙梯度曲率粗糙梯度纤维的制备152
4.2.3类甲壳虫异质图案异质图案的表面163
4.2.4类水黾腿表面的**超疏水性165
4.2.5小结168
参考文献168
第5章仿生智能人工肌肉172
5.1引言172
5.2形状记忆合金与聚合物173
5.2.1形状记忆合金173
5.2.2形状记忆聚合物178
5.3电活性聚合物184
5.3.1介电弹性体184
5.3.2纳米碳材料驱动器190
5.3.3导电聚合物导电聚合物197
5.3.4离子聚合物金属复合物离子聚合物金属复合物209
5.4非电场响应的聚合物及其复合材料216
5.4.1热、光致形变聚合物216
5.4.2湿度诱导形变聚合物湿度诱导形变聚合物220
5.4.3生物分子人工肌肉生物分子人工肌肉223
5.5本章小结226
参考文献226
第6章仿生结构纳米材料238
6.1引言238
6.2仿生高强超韧层状复合材料复合材料——贝壳珍珠层239
6.2.1贝壳珍珠层的组成与结构240
6.2.2贝壳珍珠层层状结构的增韧机制242
6.2.3贝壳珍珠层层状结构的仿生制备243
6.3天然多级蜂窝形多孔材料多孔材料248
6.3.1云杉等木材中的蜂窝型结构249
6.3.2松质骨蜂窝型结构250
6.3.3玻璃海绵多孔结构252
6.3.4鸟类喙蜂窝型结构256
6.4天然多级多尺度多尺度复合材料261
6.4.1海洋生物扭曲夹板纤维复合结构261
6.4.2密质骨类多级复合结构材料263
6.4.3牙齿釉质多级复合结构材料266
6.5仿生空心结构材料267
6.6结论与展望268
参考文献268
第7章仿生纤维材料273
7.1引言273
7.2天然生物纤维274
7.2.1植物纤维274
7.2.2动物纤维279
7.3人造纤维材料284
7.3.1制备方法284
7.4静电纺丝法制备仿生纳米纤维材料及应用285
7.4.1静电纺丝技术简介285
7.4.2仿生制备单根纤维286
7.4.3仿生制备有序纤维结构291
7.4.4电纺纤维性质及应用293
7.5总结与展望297
参考文献297
第8章仿生自修复材料304
8.1仿生自修复材料简介304
8.2高分子材料自修复概念的发展305
8.3**代和第二代自修复高分子材料306
8.3.1**代自修复高分子材料306
8.3.2第二代自修复高分子材料307
8.4基于可逆化学键的自修复高分子309
8.4.1基于可逆共价键可逆共价键的自修复高分子309
8.4.2基于可逆非共价键可逆非共价键的自修复高分子312
8.5基于其他机理的自修复高分子314
8.6自感应型自修复高分子的发展316
8.7自修复高分子研究展望318
8.8自修复无机材料319
8.8.1自修复金属材料自修复金属材料319
8.8.2自修复无机非金属材料自修复无机非金属材料320
8.9仿生自修复材料的应用前景322
参考文献322
第9章仿生智能光电转换材料与器件327
9.1生命中的光能利用系统327
9.2仿生能量转换材料的设计思路329
9.3智能纳米孔道在能量转换中的应用332
9.3.1模仿电鳗鱼——将化学能转换为电能332
9.3.2模仿绿叶——将光能转换为化学能335
9.3.3模仿菌紫质——将光能转换为电能337
9.4仿生微纳米结构光电功能材料340
9.4.1染料敏化太阳能电池的工作原理340
9.4.2染料敏化太阳能电池器件的组成部分342
9.4.3微纳米多尺度结构在染料敏化太阳能电池中的应用344
9.5展望354
参考文献354
第10章生物能源357
10.1生物质与生物能源转化357
10.1.1生物能源概念357
10.1.2生物质的能源利用方式与转化357
10.1.3生物能源的意义360
10.2生物能源生物转化技术360
10.2.1生物乙醇360
10.2.2生物丁醇372
10.2.3厌氧消化产沼气377
10.2.4生物制氢383
10.2.5微生物燃料电池388
参考文献393
第11章仿生传热、隔热材料396
11.1强化传热材料396
11.1.1沸腾传热沸腾传热396
11.1.2特殊浸润性表面的冷凝传热421
11.2高效隔热材料隔热材料431
11.2.1隔热材料的分类431
11.2.2多空腔多空腔纤维/管材料432
11.2.3具有多尺寸内部结构的零维微/纳米材料442
11.2.4气凝胶气凝胶453
参考文献464
索引474
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