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自然界中的动物和植物经过45亿年的长期进化,其结构与功能已达到近乎完美的程度,实现了结构与功能的统一,局部与整体的协调和统一。道法自然,向生物学习,向自然界学习,是原始创新科学研究的源泉,是创造新材料和新器件的重要途径。本论文主要基于F-ATPase和蜘蛛丝集水性质的仿生研究,仿生制备具备类似于生物样品性能的产物,并根据实际需要加以改进。具体工作如下:
1.将多孔PET薄膜与F-ATPase结合,我们制备了一种新的ANPMS体系。在这个体系中,F-ATPase被定向组装到PET薄膜的一边。这是首次将F-ATPase将组装到固体薄膜中,并将F-ATPase的两侧从宏观上进行了分离。这使得F-ATPase的化学环境可以自由地操作,因此ANPMS给出了一个研究F-ATPase生化问题的简单方法,同时也为研究其他膜蛋白提供了新的方法。在这个体系中,由于氢离子的定向流动,可以催化合成ATP;而ATP在ATPase上的水解也能推动氢离子的逆向运动,由于没有其它离子的运动来中和氢离子单项跨膜运动引起的电势差,因此这也为ATP中的化学能转化为电能提供了可能。
2.电纺是一种制备微米纤维的快速、简单的方法,通过同轴静电纺丝法,制备具有纺锤结结构的仿生蜘蛛丝。这种纤维的内部主丝的材料为聚苯乙烯(PS),而纺锤结的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。与PS主丝相比,更加亲水的PMMA纺锤结具有结构和化学性质的双重优势。当所制备的仿生蜘蛛丝置于高湿环境下时,随机凝结于其上的微小水滴会在表面能梯度的作用下定向地汇聚到纺锤结上,达到与天然蜘蛛丝类似的集水的目的。这种方法为快速、大量地制备仿生蜘蛛丝来缓解日愈严重的干旱问题提供了新的思路。
3.采用提拉法制备仿生蜘蛛丝,并将所制备的仿生蜘蛛丝以一定的角度相互缠绕在一个中心结上,形成一个集成的体系。当单根仿生蜘蛛丝把雾气中肉眼不可见的小水滴汇聚到纺锤结上,形成直径在几百微米的肉眼可见的大水滴后,凭借相邻纤维上对水滴的共同作用,对大的水滴进行二次收集,使中心结附近的几根纤维上的水滴都被收集到中心结上。通过改变相邻纤维之间的角度,得到不同角度条件下的集水效率、中心结的有效控制距离和一定距离的水滴的收集速度。这样的多层次集水体系,能够使水滴以更快的速度聚集成更大的水滴,并在重力的作用下被收集到容器中,达到可以应用的量。不同角度下的集水效率等参数对未来设计制造具有大量缠绕结的集水网提供了参考数据。