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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仿生固体纳米孔道 21

2.1.3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微混合与微反应技术 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生物表面的梯度特征与功能 116

4.1.1润湿蜘蛛丝的方向集水性 116

4.1.2超疏水蝴蝶翅膀的方向性黏附 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 125

4.1.4荷叶叶缘限流 128

4.1.5阶梯锯齿的超顺磁微滴行为的各向异性 133

4.1.6沙漠甲虫取水 136

4.1.7水黾腿的疏水结构 137

4.1.8水鸟啄食的毛细棘轮效应 138

4.1.9非对称的纳米结构与液滴定向铺展 139

4.1.10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倾斜几何梯度表面的制备 141

4.2.2曲率粗糙梯度纤维的制备 152

4.2.3类甲壳虫异质图案的表面 163

4.2.4类水黾腿表面的极端超疏水性 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 197

5.3.4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 220

5.4.3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——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 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第一代和第二代自修复高分子材料 306

8.3.1第一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基于可逆共价键的自修复高分子 309

8.4.2基于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 319

8.8.2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 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 431

11.2.1隔热材料的分类 431

11.2.2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 453

参考文献 464

索引 474