生物表面结构与疏水性能研究
王玮琦 3110101712
摘要：本文总结了疏水性的表征参数、影响因素及两种描述超疏水性能的经典模型。综述了目前研究的植物及昆虫表面结构与其疏水性能的关系。简要介绍了仿生疏水材料的制备方法及应用领域。通过上述内容，概括了目前该领域研究存在的一些问题并探讨了今后的研究发展方向。
关键词：植物昆虫表面多级结构疏水性
自然界的生物经过亿万年优胜劣汰的进化，优化出各种形态、构型、结构和材料，展现出多种多样的功能特性，成为对生存环境具有最佳适应性和高度协调性的系统[1]。这其中蕴含的奥妙吸引人类不断的探索、学习和模仿，以求解决人类生产生活中遇到的各种问题。
自1977年以来，关于动植物体表疏水性能的研究一直备受关注。许多植物和昆虫的体表所具有超疏水、自清洁及定向浸润等优异性能，与其复杂的分级图案化表面设计有关。例如著名的具有自清洁功能的荷叶表面显示出多级结构，其表面的层次是微米结构和纳米结构多阶层自组装相结合而实现的[2]。这种功能性生物表面对于仿生自清洁材料的制备和发展具有极大的启示和潜在的应用价值。
目前，已有大量的研究结果表明，生物体表的疏水性来源于其微纳米结构特性，且微米与纳米层次的结构在决定生物体表浸润性上也起到各自不同的作用[16]。
1 疏水性研究背景1.1 疏水性强弱的表征参数
疏水性是指物体表面对水具有排斥能力的性能。通常把与水的接触角大于90°的固体材料表面称为疏水表面，大于150°则称为超疏水表面[3]。一个表面疏水性的强弱通过接触角、滑动角、接触角滞后等参数来衡量。其中，接触角是衡量固体表面浸润性最常用的标准。滑动角是指液体离开固体表面时的最小倾斜角，接触角滞后是前进接触角（指水滴开始滑动时后缘的最大接触角）与后退接触角（指水滴开始滑动时前缘的最小接触角）之差[4]。
1.2 疏水性强弱的影响因素
疏水性是固体表面的重要特性，主要是由表面化学物质和微观结构共同决定的，其中，表面微观结构起到更决定性的作用[5]。目前主要研究的微观表面结构有一级结构、多级结构、分形结构、孔结构及皱纹状结构等。
在导致固体表面的超疏水性能的各种因素中，表面能和表面粗糙度是主要的因素。当表面能较低、粗糙度较高时，相对而言，该固体表面具有较高的疏水性。此外，固液气三相接
触线的形状、稳定性及连续性等[6,7]对固体表面的疏水性也有很重要的作用。
1.3 疏水性理论经典模型
目前主要有两种理论来描述材料表面的疏水状态：一种是Wenzel态，是指液滴进入固体微结构内部的超疏水状态[8]；另一种是Cassie-Baxter态，是指固体表面的微结构被空气占据而液体不进入固体表面的微结构中的超疏水状态[9]。Wenzel方程表示为：
cosθW=rcosθY
(1)
式中r定义为粗糙度，θW和θY分别是Wenzel状态下粗糙表面的接触角和Young氏接触角。Cassie-Baxter方程则表示为：
cosθCB=(-1)+f(rcosθY+1)
(2)
式中θCB和θY分别是Cassie-Baxter接触角和Young氏接触角，r是粗糙度，f是液体所占投影面积比。
而在实际的研究过程，Wang等人认为液滴在超疏水表面的状态可归纳为5种模型：Wenzel状态，Cassie状态，荷叶状态（一种特殊的Cassie状态），Wenzel和Cassie之间的转变状态，壁虎状态[10]。具体模型如图1所示。
图1 超疏水表面的状态
a:Wenzel状态；b:Cassie状态；c:
荷叶状态（特殊的Cassie状态）；
d:Wenzel和Cassie之间的转变状
态；e:壁虎状态
2 植物表面结构与疏水性能研究
1997年，Barthlott和Neinhuis通过观察发现，许多植物叶片上不同微结
构（绒毛、表皮褶皱和蜡状晶体）构
成的粗糙表面协同疏水的表皮蜡质共
同导致其表面的防水性能，而且，能
够伴随水滴带走污染颗粒，构成自清
洁表面，被称为“荷叶效应”[11]。基于
对200种防水植物物种的调查研究，
给出了防粘附植物表面的微型态特征。那些能够长效防水的叶片具有独特、
显著的凸面或乳突状表皮细胞，而且
覆盖有非常密集的蜡质层；而那些只
能在有限的时间内防水的叶片只有微
凸起的表皮细胞，通常缺乏密集的蜡
质层。此外，具有防水性能的物种都
集中生活在草丛中，而罕见生活在树
木上。亚热带地区的湿地和受扰动区
似乎具有更多的防水物种。植物表面
非光滑结构通常包括表皮细胞形态及
分布，表皮毛被、表皮蜡、表皮粉的
化学性质及单元体的形态、分布规律，直接影响着叶表面的疏水、防黏效果[12,13]。
2.1 荷叶表面疏水性研究
荷叶是一种半水生植物，生长有直径可达30cm且具有优异防水性能的
盾形叶片。为了适应水生环境，荷叶
的气孔通常位于上表皮。由覆盖着密
集蜡质层的乳突构成的分级结构，是
荷叶超疏水性能的重要基础。
荷叶的表皮细胞形成了不同高度
和尖拱顶形的乳突状结构，并在全部表面范围内都覆盖有较短的蜡质管状结构（图2-1a）。这种乳突结构的直径约在3.8-4.4μm间（图2-1b），而蜡质管状结构的长度约为0.3-1μm，厚度在80-120nm间（图2-1c）。与其他植物表面相比，荷叶有着更大密度但直径要小很多的乳突结构，这样的特点使得荷叶与水滴有更小的接触面积。最小化的接触面积正是荷叶低粘附性的基础。乳突结构的稳固性也确保了蜡质管状结构得到一定保护[15]。
正是由于荷叶特殊的微纳复合结构使其具有优异的超疏水和自清洁性能，也为人们研究和制备超疏水性材料提供了新的思路。
图2-1 荷叶表面(a,b)及荷叶表面角质蜡状晶体(c)的扫描电镜照片[15] 2.2 玫瑰花瓣表面疏水性研究
玫瑰花瓣的表面是一个同时具有超疏水和高粘附性能的表面，通常被称为花瓣效应。其表面呈现Cassie状态，表面结构如图2-2中a和b所示。可知花瓣表面是由一定周期性阵列的微米级乳突及乳突上纳米级的褶皱构成的。其中，呈周期性阵列的乳突平均直径为16μm，平均高度为7μm（图2-2a）；乳突顶端的褶皱宽度在730nm 左右（图2-2b）。这种微纳复合结构表现出了较好的超疏水性能，接触角大约为152.4°（图2-2c）[17]。
与荷叶不同的是，当倒转花瓣表面时，水滴仍可粘附在其表面（图2-2d），这是二者表面不同的结构设计及微纳尺度上的不同所造成的。对于花瓣而言，分级的微米和纳米结构在尺寸上均大于荷叶的微纳结构。这使得水滴更易于进入大的凹槽中，因此形成了Cassie状态的润湿模型[17]。
图2-2 玫瑰花瓣的扫描电镜照片(a,b)；
水滴在花瓣表面的模型(c)；
当花瓣倒转时水滴在花瓣表面的模型
(d)[17]
根据玫瑰花瓣的表面微纳结构，F. Lin等人利用PS薄膜复写了相似的表面设计，并得到了接触角可达154.6°的超疏水性表面[17]。这个工作提供了一种简单可行的方法得到同时具有超疏水性和高粘附性的仿生表面。在复写过程中，将玫瑰花瓣作为模板可实现大规模的合成，为此项技术的工业化发展提供了理论基础。
2.3 花生叶表面疏水性研究
花生是一种常见的豆科作物。与低黏附超疏水的荷叶不同，花生叶表面同时具有超疏水和高黏附特性。水滴在花生叶表面的接触角为151±2°，显示出超疏水特性。此外，水滴可以牢
固地附着在花生叶表面，将花生叶翻转90°甚至180°，水滴均不会从表面滚落，显示了良好的黏附性（黏附力超过80μN）。研究发现，花生叶表面呈现微纳米多级结构，丘陵状微米结构表面具有无规则排列的纳米结构。花生叶表面特殊的微纳米多尺度结构是其表面呈现高黏附超疏水特性的关键因素。
如图2-3a，可明显看到花生叶表面由丘陵状微米结构组成，而且相邻微米结构之间有明显的沟槽。高倍数扫面电镜照片（图2-3b）表明丘陵状微米结构表面具有无规则排列的纳米薄片结构，这些无规则排列的纳米薄片形成了微尺度下无序排列的空隙。花生叶表面微纳米多尺度结构显著增加了表面粗糙度，进而呈现表面的超疏水性能[19]。
图2-3 新鲜的花生叶在不同放大倍数下的扫描电镜照片[19]
花生叶与荷叶表面浸润性的差别源于它们各自表面微结构的差异。对于低黏附的荷叶表面，其固-液-气三相线是不稳定的，水滴很难进入到荷叶表面的微结构中去，所以水滴可以在荷叶表面很容易地滚动，呈现低黏附超疏水特性。然而，对于花生叶，水滴容易进入到比较大的微结构中去，但是很难进入到更加细微的空隙中去，所以水滴在花生叶表面处于一种过渡
态[20-22]。
受此启发，邱宇辰等人利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）复形得到了与花生叶表面微结构类似的高黏附疏水表面[19]。但所得样品的微结构并未能完全
复制微纳多尺度结构，导致PDMS样
品表面的接触角仅在135°左右，未达
到超疏水特性。这也说明实现生物材
料的表面微纳复合结构是目前仿生材
料领域的一个难点，如何实现微纳结
构的有效复制将是未来研究的重点。2.4 槐叶苹属浮叶水蕨表面疏水性研
究
槐叶苹属浮叶水蕨能够长期保留空气。2010年，Barthlott揭示了其精密的表
面设计。水蕨叶表面的分级结构，主
要是由覆盖着纳米级蜡状晶体的打蛋
器状的复杂弹性表皮毛所构成（图
2-4-1a）。四支根须聚集在一起形成一
个总高度为2mm、顶部为打蛋器状的特殊结构（图2-4-1b）。在已成熟的叶片中，每支根须末端细胞都缩聚到一起，形成四个死细胞的帽状覆盖层（图2-4-1c）。除去这四个细胞的整个叶片
表面均有蜡状晶体覆盖，这导致末端
细胞非常光滑而蜡质层在其他地方形
成了纳米级的粗糙度（图2-4-1d）[23]。
图2-4-1 槐叶苹属浮叶水蕨表面的扫
描电镜照片[23]
(a)球形水滴在叶片上表面表明其超疏水性能；(b)四根须在顶部形成打蛋
器状结构；
(c)末端细胞收缩形成四个死细胞；(d)除末端细胞外叶片全表面覆盖有纳米
级蜡质层
槐叶苹属浮叶水蕨具有特殊的微纳复合结构，每根表皮毛的终端细胞都没有蜡状晶体，形成均匀分布的亲水性补丁，约为其他完全疏水叶面的2%。研究结果表明，这些亲水性的补丁能够将空气-水界面销连接到打蛋器表皮毛顶端，从而使空气层稳定，这样就避免了特别在扰动流环境这样不稳定的状态下，由于气泡的形成和脱离而导致的空气损失（图2-4-2d）。这种超疏水表面结合亲水补丁（Salvinia Effect，槐叶苹属效应）的独特设计提供了一种新的长期保留空气的先进装置与理念[23]。
图2-4-2 a:低温下水滴冻结叶片上的SEM照片；b,c:接触区域的侧视图；c:超疏水性表面结合亲水性补丁长期
保留空气的原理图
3 昆虫体表结构与疏水性能研究
昆虫体表是自然界中最值得关注的复合材料之一，其表面的微纳米结
构具有很多令人感叹的特性，如超疏水、自清洁及定向浸润等[24]。昆虫体
表是体躯的最外层组织，由单一的皮
细胞层及其分泌物所组成．由里向外可分为底膜、皮细胞层和表皮层3部
分[25]。表皮层是由皮细胞分泌的一种
异质的非细胞层，分为内表皮、外表
皮和上表皮层。上表皮的层次依昆虫
种类而不同，一般分为表皮质层、蜡
层和护蜡层。护蜡层的厚度变化较大，具有保护蜡层的功能。上表皮及其外
层的化学成分在防止脱水方面有至关
重要的作用。这些表面结构因种类不
同而有差异，但具有系统分类学意义。在鳞翅目和啮虫目翅、毛翅目完须亚
目的前翅、双翅目蚊科昆虫翅脉和后
缘均具鳞片结构，一些甲虫往往具乳
突结构，而在直翅目的种类中则为多
边形结构。目前，已有的大量研究结
果均表明，昆虫体表的微纳米结构与
其疏水性有很大的关系[26-28]。
3.1 蝴蝶翅膀表面疏水性研究
蝴蝶表面因为鳞片的存在而使其
翅膀表面具有疏水性。蝴蝶鳞片主要
有窄叶形、圆叶形、阔叶形和纺锤形4种类型，呈覆瓦状排列（图3-1b）。每个鳞片表面由亚微米级的纵肋、纵肋
之间及纵肋之上的微纳米结构组成。
当翅膀表面有鳞片存在时水滴与翅面
的接触角大约是150°，而蝴蝶翅膀表
面鳞片的面积、长度、宽度、间距等
指标与该接触角均不具有相关性[28,29]。
纳米结构对蝴蝶表面润湿性的影
响主要是水滴在翅表的滑动具有方向性，如水滴在远离蝴蝶体躯纵轴的翅
面上很容易滚落（图3-1a），但是在与
其相反的方向上则紧紧镶嵌在翅面（图3-1b、c），这两种状态可以通过翅膀的姿势和翅表的气流来调控。这说明这种特殊能力是翅表的微米级的鳞片和纳米带上的可以弯曲的纳米端部有规律的排列的结果（图3-1d、e）。当蝴蝶翅膀向下倾斜时，纳米端互相分开，水滴与翅表接触形成了不连续的接触线，水滴很容易从翅表滚离（图3-1f）。当翅膀向上倾斜时，微米级的鳞片和纳米端更紧密的接触形成了相对连续的接触线，而使水滴镶嵌在翅表（图3-1g）[30]。
图3-1 蝴蝶翅表方向粘附性机制[30] A:蓝闪蝶，翅表黑色箭头表示水滴沿远离身体中轴的方向(RO)滚落；B:当翅膀向下倾斜时，水滴很容易从RO方向滚离翅面；C:当翅膀向上倾斜时，
水滴则镶嵌在翅表；
D,E:翅表鳞片结构(标尺: D 100 μm，E
100 nm)；
F,G:粘附机制的2种模型(F：滚落模型，
G：镶嵌模型)
3.2 蝉翅表面疏水性研究
蝉是半翅目中植食性昆虫，常生活在高大的树木或灌木丛中，其翅薄、翅脉发达。研究者对多种蝉类昆虫翅表水滴的静态接触角及纳米结构进行了观察、测量和比较（图3-2），并利用X射线光电子能谱仪（XPS）检测了部分种类翅表的化学组成成分。研究发现，蝉类昆虫翅表疏水性呈现出很大差别，接触角为76. 8°-146. 0°。翅表疏水性的强弱是由其表面的纳米级形貌结构（主要为乳突）和化学成分（主要为蜡质类）共同作用的结果。翅表乳突形状不同，则疏水性不同，结构均一的翅表疏水性较强；乳突基部直径、基部间距及乳突高3 种参数对翅表的疏水性起很大作用，乳突基部直径141nm、基部间距46nm及乳突高391nm 的翅表表现出最强的疏水性能[31,32]。
图3-2 4种蝉翅表纳米结构[31]
A:白斑安蝉；B:草蝉；C:窄瓣寒蝉；
D:金平宁蝉
3.3 水黾足部疏水性研究
水黾能在水面上自由活动而不被浸湿，一条足可以支撑其15倍体重的重量，不仅因其足表面分泌蜡质的作用[14]，更主要的是足表面上的多级结构引起的[33]。在足上具有与足表面成20°且方向一致的针状刚毛，长大约
50μm，直径在几百个纳米到3μm之间，在刚毛上具非常精细的纳米沟（宽410nm，深100nm）。这种结构使足表面吸附的空气与水的接触面积达到了96. 86% ，水滴在其表面上的接触角达167. 6° ± 4. 4°，具有超强的疏水性能。
图3-3 水黾足部表面的扫描电镜图片
[33]
a:水黾足部典型侧视图；b:大量定向的细长型刚毛(20μm)；c:刚毛上的纳米级
沟槽(200nm)
3.4 蚊子足部表面疏水性研究
蚊子有很多特殊的功能，如可以毫不费力地停留在水面，而且能安全地飞离水面，也可以像苍蝇一样粘附在固体表面。在这些技能当中，蚊子巨大的水面支撑力是最值得关注的，单支足能支撑起自身体重23倍的重量，这要比水黾能支撑起自身重量的15倍高很多[33]。
经观察在蚊子足表面覆盖着大量鳞片（图3-4a），鳞片由结构相同的微米级纵脊和纳米级的横脊构成。纵脊间距因蚊子种类和鳞片不同，在1.5-2μm之间，纵脊厚200-250nm之间。纵脊之间的横脊间距大约几百个nm 到1μm，横脊厚约100nm（图3-4b）。这种精细的微纳米复合结构使蚊子足表面具有153°的接触角和惊人的水面支撑力[34]。
除了足表面外，蚊子身体、翅及喙的下唇有的地方也覆盖着一样的鳞片。吸附在纵脊和横脊空隙间的空气在足-水界面形成纳米垫防止足被浸湿。若应用Cassie方程来分析[34]，这种结构使足表面吸附的空气与水的接触面积达到了85.3%。蚊子足上的这种微纳米结构使其具有较高的水面支撑力。
图3-4 蚊子足部分级的微米和纳米结
构
(a):定向排列的鳞片；(b):纵脊与横脊之
间精细的结构排列
3.5 蜘蛛网表面疏水性能研究
草间蜘蛛是一种具有筛孔的蜘蛛，其蜘蛛网具有多级的微米和纳米的复合结构。在干燥条件下，这种筛孔蜘蛛的网主要由两条微米级的主轴纤维（直径为85.6±5.1μm）组成。在主轴纤维上，周期性的分布着纺锤形的节点是由定向取向的纳米纤维组成（直径在20-30nm）。对其结构进行研究发现，纺锤形节点及连接处表面均由纳米纤维组成，但由于前者纳米纤维不定向排列而后者纳米纤维单向排列，因此具有不同的性质[35]。
在造成蜘蛛网表面疏水性能的原理中，每一个纳米级和微米级的结构都有着自己的作用。在微米尺度上，两条主轴纤维提供了足够大的机械强度使得蜘蛛网可以承受猎物的重量和移动。而在纳米尺度上，由于纺锤形节点及连接处表面有不同的表面粗糙度，二者提供不同的表面能，造成其表面的疏水性及定向浸润性[16]。
根据这一特殊结构，Y. M. Zheng 等人复写了与该结构相似的人工仿生材料（图3-5b），在疏水性及定向浸润性等方面都得到了很好的效果[35]。
图3-5 蜘蛛丝的自然结构(A)及人工仿
生材料结构(B)[16]
4 疏水性表面的制备方法及应用领域
随着仿生学的发展，人们在超疏
水性的仿生研究中取得了很大的进展，并且已经利用多种方法制备出了多种
性能优异的超疏水性表面。一般来说，超疏水性表面可以通过2种手段来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗
糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰
低表面能的物质。制备的方法也多种
多样，如：聚合物固化[36]、溶胶-凝胶法[37,38]、嵌段聚合物的相分离法[39]、
模板法[40]、气相沉积法[41]、激光刻蚀
法[42,43,44]及目前多采用的自组装[45,46,47]等。但是，目前还存在着许多问题需
要深入探讨研究。
至于疏水性表面的应用，是由其
具有的不同功能（如自清洁、减阻等）决定的，例如，它可以用来防雪、防
污染、抗氧化以及防止电流传导等，
可用在防雨设备、农药制备、机械润滑、矿物浮选、注水采油、金属焊接、印染及洗涤等相关领域。
5 存在的问题及研究发展方向
研究材料范围需扩大和深入。目前，人们研究的生物体表疏水性只占总生物数量的极少部分，且一些水生或半水生生物的表面疏水性机理报道较少。形态学的生物机制分析依赖于结构特征的理解，不仅要注重外部形态的观察研究，还要加强内部结构的研究;此外，不同地域、生活史的不同阶段的生物体表的疏水性有何不同，均值得进一步研究。
化学成分及其功能研究较少。目前很少有报道指出生物表面影响疏水性的化学成分及其功能研究。
应用方面需拓宽。在应用方面，工作重点应集中在疏水表面的各个领域，如纺织、涂层、基因传输、微流体以及无损失液体输送的广泛应用上[48]。但是要真正制备一种具有需要的润湿及自洁性能且有一定机械性能、较长使用寿命的超疏水表面以应用于现实生活，在其机理以及方法或条件等方面都还存在较大的研究空间。
仿生研究方面要拓展。在仿生研究方面，要从不同层次不同领域、多层次多方位进行，特别是多功能材料的研究。一些生物体表的非光滑表面具多种优异的功能，例如高强度抗压特性[49]、减黏脱附[50]、减反射[51]等等。这些都有待于进一步的研究。
参考文献
[1]任露泉，梁云虹. 耦合仿生学[M]. 北京：科学出版社，2012.
[2]K. Koch. Designofhierarchicallysculpturedbiologicalsurfaceswithanti-adhesive properties. Functional Nanoscience，2010: 167-178.
[3]X. F. Gao，L. Jiang. Recent studies of natural superhydrophobic bio-surfaces. Physics，2006，35(7): 559-564.
[4]B. He，N. A. Patankar，J. Lee. Multiple equilibrium droplet shapes and design criterion for
rough hydrophobic surfaces. Langmuir，2003，19: 4999-5003.
[5]A.Nakajima，K. Abe，K. Hashimoto，et al. Preparation of hard super-hydrophobic films with visible light transmission. Thin Solid Films，2000，376: 140-143.
[6]Z. Yoshimitsu，A. Nakajima，T. Watanabe，et al. Effects of surface structure on the hydrophobicity and sliding behavior of water droplets. Langmuir，2002，18(15): 5818-5822. [7]W. Chen，A. Y. Fadeev，M. C. Hsieh，et al. Ultrahydrophobic and ultralyophobic surfaces: some comments and examples. Langmuir，1999，15: 3395-3399.
[8]R. N. Wenzel. Resistance of solid surfaces to wetting by water. Ind Eng Chem，1936，
28:988–994.
[9]A. B. D. Cassie，S. Baxter. Wettability of porous surfaces. Trans Faraday Soc，1944，40: 546–551.
[10]S. Wang，L. Jiang. Definition of superhydrophobic states. AdvancedMaterials，2007，19(21): 3423-3424.
[11]W. Barthlott，C. Neinhuis. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta，1997，202(1): 1-8.
[12]王淑杰，任露泉，韩志武，邱兆美，周长海. 典型植物叶表面非光滑形态的疏水防黏效应. 农业工程学报，2005，21(9): 16-19.
[13]王淑杰，任露泉，韩志武，邱兆美. 植物叶表面防粘特性的研究. 农机化研究，2005(4): 176-181.
[14]M. Dickinson. How to walk on water. Nature，2003，424(6949): 621-622.
[15]H. J. Ensikat，P. Ditsche-Kuru，C. Neinhuis，et al. Superhydrophobicity in perfection:the outstanding properties of the lotus leaf. Beilstein J. Nanotechnol，2011，2: 152–161.
[16]W.-G. Bae，H. N. Kim，D. Kim，et al. Scalable multiscale patterned structures inspired by nature: the role of hierarchy. Advanced Materials，2014，26: 675–700.
[17]F. Lin，Y. N. Zhang，J. M. Xi，et al. Petal effect: A superhydrophobic state with high adhesive force. Langmuir，2008，24: 4114-4119.
[18]X. J. Feng，L. Jiang. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces. Advanced Materials，2006，18: 3063–3078.
[19]邱宇辰，刘克松，江雷. 花生叶表面的高黏附超疏水特性研究及其仿生制备. 中国科学：化学，2011，41(2): 403-408.
[20]A. Marmur. The lotus effect: Superhydrophobicity and metastability. Langmuir，2004，20: 3517–3519.
[21]N. A. Patankar. Transition between superhydrophobic states on rough surfaces. Langmuir，2004，20: 7097–7102.
[22]A. Dupuis，J. M. Yeomans. Modelingdropletsonsuperhydrophobicsurfaces: Equilibrium statesandtransitions. Langmuir，2005，21:2624–2629.
[23]W. Barthlott，T. Schimmel，S. Wiersch，et al. The salvinia paradox: superhydrophobic surfaces with hydrophilic pins for air retention under water. Advanced Materials，2010，22: 2325–2328.
[24]M. X. Sun，Y. M. Zheng，A. P. Liang. Progress in research in hydrophobic property of insect body surface. Engineering，2008，5: 127-133.
[25]彩万志，花保祯，宋敦伦，等. 昆虫学概论[M]. 北京：中国农业大学出版社，2009:19-22.
[26]W. Barthlott，C. Neinhuis. Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta，1997，202: 1-8.
[27]L. Feng，S. Li，Y. Li，et al. Super-hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Advanced
Materials，2002，14(24): 1857-1860.
[28]B. Bhushan，Y. C. Jung. Micro-and nanoscale characterization of hydrophobic and hydrophilic leaf surfaces. Nanotechnology，2006，17(11): 2758-2772.
[29]Y. Fang，T. Q. Wang，G. Sun，et al. Ultrastructure of wing scales of Nymphalid butterflies ( Lepidoptera: Nymphalidae). Acta Entomologica Sinica，2007，50(3): 313-317.
[30]Y. M. Zheng，X. F. Gao，L. Jiang. Directional adhesion of superhydrophobic butterfly wings. Soft Matter，2007，3: 178-182.
[31]M. X. Sun，G. S. Watson，Y. M. Zheng，et al. Wetting properties on nanostructured surfaces of cicada wings. Journal of Experimental Biology，2009，212: 3148-3155.
[32]S. H. Hong，J. Hwang，H. Lee. Replication of cicada wing’s nano-patterns by hot embossing and UV nanoimprinting. Nanotechnology，2009，20: 1-5.
[33]X. F.Gao，L. Jiang. Water-repellent legs of water striders. Nature，2004，432: 36.
[34]C. W. Wu，X. Q. Kong. Micronanostructures of the scales on a mosquito’s legs and their role in weight support. Physical Review E，2007，76: 017301-017304.
[35]Y. M. Zheng，H. Bai，Z. B. Huang. Directional water collection on wetted spider silk. Nature，2010,463: 640-643.
[36]T. Onda，S. Shibuichi，N. Satoh，et al. Super-water-repellent fractal surfaces. Langmuir，1996，12(9): 2125-2127.
[37]G. Cao，H. Tian. Synthesis of highly porous organic/inorganic hybrids by ambient pressure sol-gel processing. Journal of Sol-gel Science and Technology，1998，13: 305-309.
[38]H. M. Shang，Y. Wang，S. J. Limmer，et al. Optically transparent superhydrophobic
silica-based films. Thin Solid Films，2005，472: 37-43.
[39]M. Ma，R. M. Hill，J. L. Lowery，et al. Electrospun poly (styrene-block-dimethylsiloxane) block copolymer fibers exhibiting superhydrophobicity. Langmuir，2005，21: 5549-5554. [40]M. Miwa，A. Nakajima，A. Fujishima，et al. Effects of the surface roughness on sliding angles of water droplets on superhydrophobic surfaces. Langmuir，2000，16: 5754-5760.
[41]P. Evans，M. E. Pemble，D. W. Sheel，et al. Multi-functional self-cleaning thermochromic films by atmospheric pressure chemical vapour deposition. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry，2007，189(2-3): 387-397.
[42]R. Fürstner，W. Barthlott，C. Neinhuis，et al. Wetting and self-cleaning properties of artificial superhydrophobic surfaces. Langmuir，2005，21: 956-961.
[43]S. W. Grego，T. W. Jarvis，B. R. Stoner，et al. Template-directed assembly on an ordered microsphere array. Langmuir，2005，21(11): 4971-4975.
[44]E. Stratakis，V. Zorba，M. Barberoglou，et al. Laser structuring of water-repellent biomimetic surfaces. Newsroom，2009.
[45]J. Ji，J. H. Fu，J. C. Shen. Fabrication of a superhydrophobic surface from the amplified exponential growth of a multilayer. Advanced Materials，2006，18(11): 1441-1444.
[46]F. Shi，Z. Wang，X. Zhang. Combining a layer-by-layer assembling technique with electrochemical deposition of gold aggregates to mimic the legs of water striders. Advanced Materials，2005，17(8): 1005-1009.
[47]X. Song，J. Zhai，Y. Wang，et al. Fabrication of superhydrophobic surfaces by self-assembly and their water-adhesion properties. Journal of Physical Chemistry B，2005，109: 4048-4052. [48]L. Jiang. Super-hydrophobic nanoscale interface materials: from natural to artificial. Basic Science，2005，23(2): 4-8.
[49]Z. X. Yang，W. Y. Wang，Q. Q. Yu，et al. Measurements on mechanical parameters and studies on microstructure of elytra in beetles. Acta Material Composite Sinica，2007，24(2): 92-98. [50]C. Neinhuis，W. Barthlott. Seasonal changes of leaf surface contamination in beech, oak and ginkgo in relation to leaf micromorphology and wettability. New Phytologist，1998，138(1): 91-98.
[51]G. S. Watson，S. Myhra，B. W. Cribb，et al. Putative functions and functional efficiency of ordered cuticular nanoarrays on insect wings. Biophysical Journal，2008，94: 3352-3360.
超疏水材料的研究进展 2015年5月3日
超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体
中国在超疏水材料研究方面的进展 分子一班 张雷 3013207391 Abstract ： 摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。 关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性
1、背景： 表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。 自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。 2、超疏水材料制备方法分类： 2.1 模板法： 江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。
表征材料疏水性能的指标：接触角，滚动角（前进接触角和后退接触角之差） 决定因素：材料的表面能，材料的粗超程度。 具有低的表面能和粗超度。 疏水薄膜的化学成分主要考虑有机聚合物, 其疏水分子中除了碳以外, 含有大量低表面能的硅、氟等原子基团, 可以有效的降低材料的表面能, 从而使薄膜对水接触角增大。 氟系有机物、聚氟硅烷( FAS) 、有机硅聚合物等都具有较低的表面自由能, 也是目前研究和应用较多的疏水成膜剂 Takashi Monde 等人利用溶胶- 凝胶法制备了支链状的聚氟硅烷薄膜, 发现其具 有很好的热稳定性, 且具有低表面能的氟化物存在于薄膜的最表层。有机硅聚合物制成的薄膜具有较好的牢固度, 且不影响玻璃光学性能、无毒、无腐蚀, 也是良好的疏水物质。聚四氟乙烯( PTFE) 的特点一方面具有低表面能, 另一方面具有良好的化学稳定性, 但其缺点在于高熔融状态、高粘度和不溶性, 使得它难以制备和操作 除了本身化学组成外, 表面结构也控制着薄膜的浸润性 等人通过溶胶- 凝胶法将表无机疏水薄膜常用的制备方法有采用溶胶- 凝胶法、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积和氟硅表面活性剂原位修饰等。其中化学气相沉积法的原理是把含有构成需要元素的一种或几种化合物、单质气体供给载体, 借助气相作用, 在载体表面上进行化学反应生成要求的薄膜。其中化学气相沉积法制备薄膜产量高, 可在线生产, 能耗低, 比较适合制备金属氧化物多孔薄膜, 但反应条件苛刻, 工艺及装置复杂, 设备投资大。溶胶- 凝胶法是制备无机膜的比较成熟的方法, 一般分为胶体凝胶法和聚合凝胶法。胶体凝面粗糙度控制在20～50nm 之间, 使接触角达到165°。Hong B S 等人利用增加膜层表面粗糙度的方法提高了膜的疏水性, 但获得的透明薄膜不具备减反射性。通过相分离、刻蚀、固体表面添加有机疏水物等方法控制表面粗糙度, 不但可以得到具有预期疏水性能的表面结构, 而且可以同时满足表面的机械特性和透明度等要求。多孔的无机氧化物薄膜与玻璃、陶瓷等结合强度良好, 而且耐高温、耐腐蚀, 绝缘性好, 所以与有机疏水材料的复合将具有优异的综合性能, 在保持材料疏水性的同时对环境具有较好的适应性。比如SiO2 膜由于具有耐热性、耐候性、透明性、低折射性、低介电性等优良性能而在汽车玻璃、厨房用具、建筑玻璃、微电子集成电路等方面表现出广泛的应用前景。但是, SiO2 本身所具有的亲水性限制了其性能的发挥和实际应用。因此, 有必要对硅溶胶进行疏水改性的研究。
评 述 第49卷 第17期 2004年9月 表面微细结构制备超疏水表面 郑黎俊 乌学东* 楼 增 吴 旦 (上海交通大学化学化工学院, 上海 200240. * 联系人, E-mail: xdwu@https://www.doczj.com/doc/d74243368.html, ) 摘要 超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过150?的一种特殊表面现象, 本文从热力学角度评述了导致超疏水状态的两种理论模型: Wenzel 模型和Cassie 模型, 讨论了表面微细结构对超疏水状态的影响以及Wenzel 和Cassie 两种状态之间的内在联系. Wenzel 和Cassie 是两种可以同时共存的超疏水状态, 在一定条件下可以实现从Cassie 到Wenzel 状态的不可逆转变, 而这两者在接触角滞后中表现出截然不同的性质. 概括和总结了通过设计表面微细结构来达到超疏水表面的制备策略, 并对超疏水表面在现代工程领域内的应用前景作了展望. 关键词 微细结构表面 自洁表面 接触角 超疏水性 粗糙度 表面润湿是固体表面的重要特征之一, 也是最为常见的一类界面现象, 它不仅直接影响自然界中动、植物的种种生命活动, 而且在人类的日常生活与工农业生产中也起着重要的作用. 润湿性可以用表面上水的接触角来衡量, 通常将接触角小于90?时的固体表面称亲水表面(hydrophilic surface), 大于90?称疏水表面(hydrophobic surface). 近年来, 随着微纳米科学技术的不断发展, 以及越来越多的行业对特殊表面性能材料的迫切需求, 人们对微观结构在生命科学和材料科学中的应用有了更多的认识, 对于固体表面微细结构与润湿性之间的关系也有了更深入的理解[1,2]. 对润湿性可控表面研究的重大进步, 使得制备无污染、自清洁表面的梦想成为了现实[3]. 自洁表面一般可通过制备超亲水或超疏水表面两种途径制得: Wang 等[4]利用紫外光诱导产生的接触角接近0?的超亲水TiO 2表面, 这种表面材料已经成功地被用作防雾及自洁的透明涂层[5], 其机理为液滴在高能表面上铺展开形成液膜, 然后通过液膜流动, 夹带表面污物运动而起到自洁的功能; 而科学家在对动植物表面 的研究中发现[6], 自然界中通过形成超疏水表面来达到自洁功能的现象更为普遍, 最典型的如以莲叶为代表的多种植物叶子的表面[7](莲叶效应 Lotus- ef-fect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等等, 这是大自然对我们的暗示. 通过观察和研究发现, 此类表面上除了具有疏水的化学组分外, 更重要的是在微观尺度上具有微细的粗糙结构. 如图1所示, 电子显微镜下, 荷叶表面具有双层微观结构, 即由微米尺度的细胞和其上的纳米尺度蜡状晶体两部分组成; 蝶类翅膀上的粉末由100 μm 左右的扁平囊状物组成, 囊状物由无数对称的几丁质(chitin)组成的角质层构成, 其表面并不光洁, 这就是蝴蝶常具有色彩斑斓的结构色以及较好的疏水性的原因[8]; 水鸟类羽毛也具有微米或亚微米尺度的致密排列, 同时具有较好的 透气性和疏水性. 固体表面的润湿性由其化学组成和微观几何结构共同决定. 众所周知, 润湿性能主要受固体表面化学组成的影响, 固体表面自由能σSG 越大, 就越容易被一些液体所润湿, 反之亦然. 所以寻求和制备高表面自由能或低表面自由能的固体表面是制备超亲水 图1 (a) 荷叶表面的双层结构; (b) 蝴蝶鳞片的排列以及鳞片表面的微观结构; (c) 羽毛的微观结构 https://www.doczj.com/doc/d74243368.html, 1691
浅析澳洲苷蔗蟾蜍入侵及其启示 课程名称：生物学进展 姓名：戚德涛 学号： 2201150219 班级：临床医学（五年制）二班
浅析澳洲苷蔗蟾蜍入侵及其启示 临床医学五年制二班 2201150219 戚德涛 摘要:随着人类社会的发展，各个大陆、国家之间的交流日益丰富，然而伴随着人们的各种生活、生产活动，很多“多动”的动植物也都搭上了顺风车，进行了漫长而又辉煌的“迁徙之旅”，这就是生物入侵。人们后来才意识到自己将为自己的行为付出代价，经济损失、环境破坏，对抗还是接纳生物入侵这一事件也许还未可知。 1、生物入侵的方式 1.1有意引入 福寿螺、克氏原螯虾、牛蛙或水葫芦等是人们出于观赏、养殖有意引入的，在野外放养或弃养后任其自生自灭，最后在野外形成自然种群对动物区系中的土著种造成一定危害，并对当地农业经济造成一定影响[1]。 1.2无意引入 像植物还可能由邻近地域借助河流、风力等方式自然扩散或随交通工具传播进入、随植物引种进入、国际上商品交易或压舱水由于检查不严格随商品带入并发展为野生等方式，动物则多是依附于植物而进入外地。 1.3甘蔗蟾蜍入侵起始 1935年澳大利亚价值不菲的糖类作物，即将被贪婪的蔗糖甲虫破坏殆尽，政府想尽办法，希望能阻止这场由本土蔗糖甲虫引发的噩梦。科学家们不负众望，很快就找到了答案——那就是中美洲的苷蔗蟾蜍。苷蔗蟾蜍在原产地就以甲虫为食。这个由外来物种抑制本土害虫的办法听上去既廉价又有效，获得了人们的一致赞同。同一年科学界们引进了102只苷蔗蟾蜍，进行大范围试验。一开始，澳大利亚人像欢迎救世主一样欢迎这些蟾蜍，不幸的是，这些蟾蜍却另有打算，它们放过那些极难捕捉的蔗糖甲虫，却开始大肆捕食田野中数量庞大的其他昆虫，试验结果错得可怕。失望透顶的科学家们，只得使用杀虫剂来解决甲虫问题。终于获得成功的他们，彻底忘记了失败的蟾蜍试验。然而这些被遗忘的外来物种是不会自行离开的。于是，一场新的噩梦开始了。苷蔗蟾蜍的繁殖能力远远超出了科学家们的想象。甘蔗蟾蜍的繁殖是爆发式的，远远超过了他们在中美洲的繁殖速度，几年时间。原先的102只蟾蜍，十分轻易地变成了数百万只。一场新的战争，开始了... 2、生物入侵的危害 2.1对动植物健康的危害 生物入侵还对人类健康甚至生命产生严重危害并影响国际贸易。一些重大人畜疾(疫)病，给人类健康和社会稳定带来威胁与恐慌，成为影响国际贸易的技术壁垒之一。时下，“疯牛病”、“口蹄疫”、“西尼罗河脑炎”、“猪霍乱”、“鸡流感”等动物疾病的传播均称为“生物入侵”，其特点是不受时间和国界限制可以传播到世界各地，传染给其它生物。大多数传染性的疾病本身在其主要分布区域里都是人类传播的生物入侵者，如天花。另外引入种亦可作为疾病的载体，
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将
揭秘超疏水性表面 哈工大报讯（潘钦敏）[编者的话] 宋代周敦颐在《爱莲说》中写道“予独爱莲之出淤泥而不染”。一千年后的今天，人们已经可以从科学的角度解释莲这种“出淤泥而不染”的特性。与之相关的“仿生超疏水性表面”的研究已成为化学模拟生物体系研究中的一个新领域。本期，化工学院副教授潘钦敏为我们揭开“超疏水性表面”的神秘面纱。 浸润性是固体表面的重要特征之一,它由表面的化学组成和微观形貌共同决定。超亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。人们对超疏水表面的认识，主要来自植物叶——荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自清洁”效应。 荷叶效应——超疏水性原理 尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性呢？对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触角仅大于90度。 自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。 超疏水表面制备方法 人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面——荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。一般来说, 超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。比如材料学家们可以通过表面处理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于超疏水表面的研制方法总结起来主要有：熔融物的固化、刻蚀、化学气相沉积法、阳极氧化法、乳液聚合、相分离法以及模板法等。但是这些方法涉及复杂的化学物质和晶体生长，实验条件比较苛刻，成本高，还不能进行工
分子生物学主要研究内容 1. 核酸的分子生物学。 核酸的分子生物学研究 核酸的结构及其功能。由于 核酸的主要作用是携带和传 递遗传信息，因此分子遗传 学是其主要组成部分。由于 50年代以来的迅速发展，该 领域已形成了比较完整的理 论体系和研究技术，是目前分子生物学内容最丰富的一个领域。研究内容包括核酸/基因组的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。遗传信息传递的中心法则是其理论体系的核心。 2. 蛋白质的分子生物学。 蛋白质的分子生物学研究执行各种生命功能的主要大分子──蛋白质的结构与功能。尽管人类对蛋白质的研究比对核酸研究的历史要长得多，但由于其研究难度较大，与核酸分子生物学相比发展较慢。近年来虽然在认识蛋白质的结构及其与功能关系方面取得了一些进展，但是对其基本规律的认识尚缺乏突破性的进展。 3.细胞信号转导的分子生物学。 细胞信号转导的分子生物学研究细胞内、细胞间信息传递的分子基础。构成生物体的每一个细胞的分裂与分化及其它各种功能的完成均依赖于外界环境所赋予的各种指示信号。在这些外源信号的刺激下，细胞可以将这些信号转变为一系列的生物化学变化，例如蛋白质构象的转变、蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等，从而使其增殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。信号转导研究的目标是阐明这些变化的分子机理，明确每一种信号转导与传递的途径及参与该途径的所有分子的作用和调节方式以及认识各种途径间的网络控制系统。信号转导机理的研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白质分子有着紧密的联系，是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。 4.癌基因与抑癌基因、肽类生长因子、细胞周期及其调控的分子机理等。 从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人类最终征服癌症做出重要的贡献。
超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b)
神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！ 神奇的超疏水材料：我虐水滴千百遍，水滴待我如初恋！一盆水泼向一块金属板，水珠像钢珠一样滚落，金属板仍然干爽；一只船桨浸入水缸，拿出来竟然未带出一滴水珠，就像是从没放进去过一样；一杯水倒在一块经过特殊处理的玻璃板上，水紧紧靠在中央“不越雷池半步”，即使用手搅出来一两滴也立即跑回去……这些违背我们肉眼“常识”的现象，就是“超疏水材料”捣的鬼。这种通过改变材料的表面自由能和表面粗糙度获得的新型材料，灵感来自于自然界中的荷叶。由于其防水、防腐蚀、抗菌的特殊效果，如今已经成为国际热门的研究领域，可以在环保、工业、医疗等各种你想象不到的领域大展身手。一、超疏水简介超疏水技术是一种具有特殊表面性质的新型技术，具有防水、防雾、防雪、防污染、抗氧化、防腐蚀和自清洁以及防止电流传导等重要特点，在科学研究和生产、生活等诸多领域中有极为广泛的应用前景。超疏水技术对于建筑工业、汽车工业、金属行业等的防腐防锈及防污也很有现实意义。特别是近年来的微电子系统、光电子元器件及纳米科技等高新技术的高速发展，给超疏水涂层的研究和应用于勃勃生机。超疏水材料的研究以诗句“出淤泥而不染，灌清涟而不妖”为契机，以科学的手段向我们解释这一奇特的自然现象，荷花表面覆盖的天然
超疏水薄膜，使得水滴聚集成股，顺势流下，冲刷着荷叶表面的淤泥，营造了出淤泥而不染的状态。因此荷叶在雨后会变得一尘不染，这种现象在生活中很常见，我们称之为“荷叶效应”。二、超疏水现象荷叶效应--超疏水性原理为什么“粗糙”表面能产生超疏水性呢?对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁”的能力。这种接触角大于150度的表面就被称为“超疏水表面”。而一般疏水表面的接触角仅大于90度。三、自然界中的超疏水现象1999年，Barthlott和Neihuis认为：自清洁的特征是由于粗糙表面上的微米结构的乳突以及表面蜡 状物的存在共通引起的；乳突的平均直径为5~9um。荷叶表面的微/纳米复合结构2002年，江雷等提出微米结构下面还存在纳米结构，二者相结合的阶层结构才是引起表面超疏水的根本原因。单个乳突由平均直径为120nm结构分支组成。超疏水各向异性的水稻叶子水稻叶表面存在滚动的各向异性，水滴更容易沿着平行叶边缘的方向流动。超疏水的蝉翼表面蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成，纳米柱的直
超疏水材料的应用及进展 在仿生研究领域，许多奇特的微/纳生物表面现象给予人们大量的启示。比如荷叶效应、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁，引发了人们对超疏水材料的研究兴趣。本文综述了仿生超疏水表面的润湿性原理、主要制备方法和应用。 关键词：仿生超疏水；润湿性；制备方法；应用 在时间的长河中，大自然不断地孕育生命，每一个生命体都具有其独特的艺术性、科学性。人类在不断适应自然、认识自然的同时，逐渐开始研究自然。仿生研究是人们学习自然，提高现有技术的有效手段。在仿生研究领域，许多奇特的微纳生物表面现象给予了人们大量的启示与想象空间[1]。比如荷叶效应[2] 、水黾在水面上奔跑以及蝴蝶翅膀的自洁[3]，引发了人们对仿生超疏水材料的研究兴趣。 1 润湿性原理 固体表面的润湿性[4]对揭示表面亲、疏水性，强化表面疏水性能和制备疏水表面具有重要意义。描述润湿性的指标为与水的接触角，接触角小于9O°，为亲水表面，接触角大于90°，为疏水表面，接触角大于150°，则称为超疏水表面。 Wenzel[5]假设液体始终填满固体表面上的凹槽结构，粗糙
表面的表观接触角θ?与光滑平坦表面本征接触角θ存在以下关系：r （γs-g-γl-s）/γl-g=cosθ?=rI cosθ，式中r是材料表面的粗糙度因子，为固液界面实际接触面积与表观接触面积之比。而Cassie[6]认为疏水表面上的液滴不能填满粗糙表面上的凹槽，凹槽中液滴下存留空气，从而表观上的固液接触实际上是固液、固气接触共同组成，提出cosθ?=fs（1+c cosθ）-1，式中：fs是复合接触面中凸起固体面积与表观接触面积之比，其值小于1。而Cassie和Baxter[7]从热力学角度得到适合任何复合表面接触的Cassie-Baxter方程cosθ?=f1cosθ1+: f2cosθ2，式中θ?是复合表面的表观接触角，f1、f2分别是两种介质在固体表面上所占面积的比例，θ1、θ2分别是2种介质界面间（固液、气液）的本征接触角。研究发现[8]，固体表面随着微孔深度的增加，液体的浸润性增大，润湿性减小；随着孔间距的增大，液体的润湿深度先减小后增大。超 2 制备方法 由材料表面润湿性原理可知，材料表面能和表面微纳米结构是影响材料表面疏水、亲水性能的主要因素。制备仿生超疏水表面主要从两方面入手，一方面是使用具有低表面能材料，另一方面是改变材料表面粗糙度和微纳米结构。。 2.1、自然界物质中表面能最低的两种材料是硅氧烷、含氟
超疏水高分子材料的研究进展 摘要：近十年来，由于超疏水表面在自清洁、防冰冻、油水分离等方面的广泛应用前景，超疏水高分子薄膜的研究受到了极大的关注。本文综述了超疏水高分子材料的制备方法，并对超疏水高分子材料研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水，高分子材料，自清洁 Developments of super-hydrophobic Ploymeric material Abstract: In the last decades, super-hydrophobic surface has aroused great interest in both academic and industrial fields owing to their potential application in self-cleaning, anti-icing/fogging, water/oil separation, et al. In this paper, the recent development in super-hydrophobic polymeric membrane is reviewed from both preparation and technique, and the future development direction of the superhydrophobic polymeric surface is also proposed in the end． Key Words: super-hydrophobic, polymeric membrane, self-cleaning. 引言 自然界是功能性表面的不竭源泉。植物叶表面的自清洁效果引起了人们的很大的兴趣，在以荷叶为典型代表的自然超疏水表面上充分体现了这种自清洁性质，因此称之为“荷叶效应”[1]。图 1.1中展示的是水滴和汞在荷叶表面的宏观与微观的照片[2]。植物叶表面的微观结构产生自清洁性这一发现不仅为人工构筑超疏水表面提供的灵感，而且植物叶本身也是一个优异的模板，通过对其结构的复制，可望得到具有类似于植物叶表面微结构及自清洁性能的表面。通过对生物体表面结构仿生可以实现结构和性能的完美统一[3-12]。 随着高分子材料在日常生活中的广泛应用，针对高聚物材料存在的表面问题，例如表面的防污性、湿润性，防冰冻，抗菌性等的研究变得越来越重要，特别是智能高分子材料的性能研究尤为引人注目。由于超疏水材料在自清洁、
金属基体超疏水表面制备及应用的 研究进展 Progress in Fabrication and A pplicat ion of Superhydrophobic Surfaces on M etal Substrat es 徐文骥,宋金龙,孙 晶,窦庆乐 (大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024) XU Wen ji,SONG Jin long,SUN Jing,DOU Q ing le (Key Labor ator y for Precision and No n traditio nal M achining Technolog y fo r M inistry of Education,Dalian U niversity of T echno logy,Dalian116024,Liaoning,China) 摘要:在介绍润湿性相关理论的基础上,综述了国内外金属基体超疏水表面的制备方法及应用,重点讨论了阳极氧化法、电化学沉积法、化学腐蚀法、化学沉积法、一步浸泡法、热氧化法、模板法、复合法等,及超疏水表面在响应开关、自清洁、流体减阻、耐腐蚀、防冰霜、油水分离、微型水上运输器等方面的应用,最后评述了各种方法的特点,提出了在金属基体上制备超疏水表面所面临的问题。 关键词:金属基体;超疏水表面;研究进展 中图分类号:T G66 文献标识码:A 文章编号:1001 4381(2011)05 0093 06 Abstract:On the basis of the fundamental theories,the fabr ication and application of superhydropho bic surfaces on metal substrates w er e r eview ed.It em phasized to discuss preparation methods of anod ization,electro chem ical depositio n,chem ical etching,chemical deposition,one step solution imm er sion,thermal ox idatio n,template,co mposite,etc.Super hy drophobic surfaces on m etal substrates w ere also summarized in the applicatio n of response sw itch,self cleaning,drag reduction,corro sion resistance,anti icing,w ater and oil m ixture separatio n,miniatur e transporter over w ater.M ean w hile,characteristics of different kinds o f techniques w ere discussed.Finally,the pr oblem s about fabricatio n of super hy drophobic sur faces on m etal substrates w er e bro ug ht fo rw ar d. Key words:metal substrate;superhydropho bic surface;research progr ess 润湿性是固体表面的重要性质之一[1],常用接触角来衡量,当接触角小于90 时为亲水表面,小于5 时为超亲水表面,大于90 时为疏水表面,大于150 时为超疏水表面。在自然界中,到处可见超疏水现象,荷叶、水稻叶子等植物叶片具有自清洁效应,水黾能够毫不费力地站在水面上[2],蝴蝶翅膀能在雨中不被淋湿。1996年Onda等[3]首次报道了人工合成超疏水表面, 1997年,德国植物学家Bar thlott和Neinhuis[4,5]对植物的超疏水性进行了系统研究,发现荷叶的自清洁性是由表面微米结构和表面蜡层共同引起的。江雷等[6]对荷叶的进一步研究,发现微米结构的乳突上还存在纳米结构,而微纳米结构和表面蜡层共同作用是引起荷叶表面超疏水的根本原因。 由于超疏水表面具有自清洁[7,8]、减阻[9-11]、耐腐蚀[12,13]、防结冰[14-19]等特性,而金属材料在工农业生产中又被广泛地应用,因此研究金属基体超疏水表面的制备方法及应用极为重要,也引起了各国研究人员的极大兴趣。 1 相关理论 1.1 Yong氏模型 当少量液滴滴在理想固体(绝对光滑)表面,在固、液、气三相的交界处,由固、液界面经过液体内部至液、气界面的夹角称为接触角 ,其大小满足Yo ng氏方程[20]: cos =( sg- sl)/ lg(1)式中: sg, sl和 lg分别表示固 气、固 液、液 气界面的表面张力。 由式(1)可得,当液体确定时,即 lg确定时,接触
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１８)０９Ｇ０９１５６Ｇ０４ 石墨烯疏水性能研究? 洪一跃１,李多生１,叶一寅１,Q i n g h u aQ i n２,邹一伟１,林奎鑫１ (１．南昌航空大学材料科学与工程学院,南昌３３００６３; ２．R e s e a r c hS c h o o l o fE n g i n e e r i n g,A u s t r a l i a nN a t i o n a lU n i v e r s i t y,A c t o nA C T２６０１,A u s t r a l i a) 摘一要:一通过化学气相沉积(C V D)方法在蓝宝石衬底表面生长石墨烯,探究生长时间对石墨烯疏水性能和微结构的影响.利用接触角测量仪二傅里叶红外光谱仪二拉曼光谱仪二场发射扫描电镜研究石墨烯的疏水性能和微结构.发现生长时间是３０m i n时,石墨烯的接触角最大,为１２９．９６?,表现出疏水性,红外测试表明只有C C,拉曼分析发现在１０~３０m i n的生长时间下,石墨烯都出现了３个特征峰.较大的接触角使石墨烯有望作为疏水材料,甚至可以通过对其疏水改性让它在超疏水领域存在潜在应用. 关键词:一石墨烯;疏水性;接触角;半高宽 中图分类号:一O６４７文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１８．０９．０２９ ０一引一言 １９６６年,M e r m i n和W a g n e r提出的M e r m i nＧW a g n e r理论,指出二维晶体材料不能稳定存在[１],导致二维碳材料的研究一直处于空白阶段.２００４年,英国曼彻斯特大学N o v o s e l o v和G e i m等[２]用机械剥离的方法制备石墨烯,打破了二维晶体材料在常温中无法稳定存在的预言.石墨烯具有优良的导电性二机械性能二电化学性能和催化性能,在电容材料二电极材料二催化剂二生物传感器和润滑添加剂等方面具有很高的应用价值[３Ｇ６].但是到目前为止,人们的研究主要集中在石墨烯的光学二电学性质,对其表面性质研究较少.根据W e n z e l[７]和C a s s i e[８]理论,石墨烯薄膜的表面浸润性质由两个因素决定:薄膜表面粗糙度和表面自由能.L e e n a e r t s等[９]用密度泛函理论计算得出:石墨烯薄膜表面的水分子之间的结合能大于其与石墨烯的吸附能,使得水分子团聚为水滴,石墨烯表现为疏水性. Y o u n g等[１０]制备的外延石墨烯薄膜的接触角为９２?, S h i n等[１１]制备的还原石墨烯薄膜的接触角为１２７?.当材料的接触角＞１５０?时,材料表现为超疏水,此时材料可以通过超疏水表面的构建实现表面自清洁效应.因此,石墨烯的疏水性有望在不久的将来用于疏水甚至超疏水材料的领域[１２Ｇ１３].蓝宝石作为一种窗口材料,在其表面制备出疏水性较高的石墨烯有利于窗口表面的清洁和光的透过,增强了窗口的光学性能.石墨烯在金属衬底[１４Ｇ１５]上的生长相较于绝缘衬底[１６Ｇ１７]上的生长来说更为容易一些,在目前制备石墨烯的众多方法中,化学气相沉积[１８](C V D)法是制备石墨烯的一种重要的生长方法.因此本文采用C V D法在蓝宝石衬底上制备石墨烯,研究生长时间对石墨烯接触角和石墨烯生长质量的影响. １一实一验 １．１一石墨烯的制备 以尺寸为１０mm?１０mm的蓝宝石(０００１)作为生长的衬底材料,然后经丙酮二无水乙醇二去离子水超声清洗２０m i n,待衬底吹干后通过推杆将衬底送入刚玉管中心区域,最后将刚玉反应室抽至真空,检查气密性,开启装置加热程序进行实验,石墨烯C V D生长过程示意图如图１所示.在实验中采用C H４作为碳源气体,H２作为刻蚀气体,A r作为载气,C H４流量为６m L/m i n,H２流量为４０m L/m i n,A r流量为１００m L/m i n,生长温度为１３００?,生长压力约为１０T o r r,生长时间为１０~３０m i n,生长完成后,关闭加热程序,待衬底冷却至室温,关闭气体流量. 图１一C V D生长过程示意图 F i g１C V D g r o w t h p r o c e s s d i a g r a m ６５１９ ０２０１８年第９期(４９)卷 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１５６２０２７,１１７７２１４５);江苏省精密与微细制造技术重点实验室基金资助项目(J K L２０１５００１) 收到初稿日期:２０１８Ｇ０２Ｇ２７收到修改稿日期:２０１８Ｇ０４Ｇ２６通讯作者:李多生,EＧm a i l:d u o s h e n g．l i＠n c h u．e d u．c n 作者简介:洪一跃一(１９９３－),男,安徽安庆人,在读硕士,师承李多生副教授,从事石墨烯材料研究.
关于超疏水表面的基本介绍及其制备 【摘要】超疏水表面材料具有防水，防污，可减少流体的粘滞等优良特性，是目前功能材料研究的热点之一。其中关于超疏水表面材料性能的研究及其制备是关键，从微观角度对其性能的说明，介绍和评述超疏水的制备方法，并对该领域的发展进行了展望。 【引言】尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁”效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。直到20世纪90年代，德国的两个科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。自从Onda等1996年首次报道在实验室合成出人造超疏水表面以来，这引起了研究人员的广泛兴趣。总体来说，目前的研究主要集中以下几个领域：1）研究自然界中具有超疏水表面的植物和动物,为开发具有新型表面结构的材料提供灵感。2）使用无机物或在金属表面制备具有超疏水性表面的材料。3）使用高分子材料制备具有超疏水性的表面。4）理论研究,主要是通过构建模型以探讨表面结构状况与接触角或滚动角的关系。 超疏水表面一般可以通过两类技术路线来制备:一类是在低表面能的疏水材料表面上构建微米纳米级粗糙结构;另外一类是用低表面能物质在微米纳米级粗糙结构上进行修饰处理。其中,制备合适微米纳米级粗糙结构的方法是相关研究的关键。从制备方法来说,主要有蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。在此对各种制备方法进行分类评述。 【超疏水表面特性】根据水在固体表面的浸润程度，固体可以分为亲水性和疏水性，所谓超疏水（憎水）表面一般是指与水的接触角大于150度的表面。对于一个疏水性的固体表面来说，当表面有微小突起的时候，有一些空气会被“关到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与空气接触，与固体直接接触面积反而大大减小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。只有拥有较大的接触角（CA＞150和较小的滚动角（SA<10)的表面才是真正意义上的超疏水表面。所谓接触角，就是液滴在固体表面形成热力学平衡时所持有的角。通过液体-固体-气体接合点中水珠曲线的终点和固体表面的接触点测定出来。滚动角可作为评价表面浸润性的另一指标，指的是一定质量的液滴在倾斜面上开始滚动的临界角度。滚动角越小，固体表面表现出的疏水性越好。因为地球的重力作用，水滴在倾斜的固体表面有下滑的趋势。随着固体倾斜角的变大，水滴沿斜面方向的下滑分力也在不断增大，当倾斜角增大到某一临界角度时，水滴会从固体表面滑落下来，这时的临界角就是水在此种固体表面的滚动角。滚动角越小，固体表面的超疏水性能越好。 接触角三大理论 杨氏方程（1805年）
文章编号 ：1004-0374(2010)03-0224-05 细胞凋亡的结构生物学研究进展 施一公 （清华大学生命科学学院，北京 100084） 摘 要：在多细胞生物体内，细胞会发生编程性死亡(即细胞凋亡)，使得细胞数量得到精确调控。细胞凋亡调控的异常与癌症、自身免疫病、神经退行性疾病等疾病密切相关。在过去的二十年里，人们详细地研究了参与细胞凋亡调控的分子机制。该文综述了近年来利用结构生物学手段，对参与细胞凋亡调控的分子，主要是Ca spa se和与Ca spa se活性调控直接相关的蛋白功能的研究进展。 关键词：细胞凋亡；机制；结构生物学；Cas pas e 中图分类号：Q255; Q617 文献标识码：A Mechanisms of programmed cell death through structural biology SHI Yi-gong (College of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Ab stra c t: C e lls und e rg o p ro g ra m m e d c e ll d e a th (a p o p o sis) in a ll m ultic e llula r o rg a nism s. Alte rna tio ns in a p o p to tic p a thw a ys ha ve b e e n im p lic a te d in m a ny typ e s of d ise a se s in hum a n, inc lud ing c a nc e rs, a utoim m une d ise a se s, a nd ne urod e g e ne ra tive d isord e rs. I n the p a st tw o d e c a d e s, the m ole c ula r m e c ha nism s of a p op tosis ha ve b e e n e xte nsive ly stud ie d. I n this p a p e r, a utho r re vie w s the p ro g re ss in the stud ie s o f m ole c ula r func tions of p rote ins involve d in a p op tosis re g ula tions, m a inly C a sp a se s a nd C a sp a se-re g ula ting p rote ins, using struc tura l b iolog y a pproa c he s. K e y word s: apoptosis; mechanism; structural biology; Caspase 1 细胞凋亡调控机制研究背景 在动物体内，细胞数量需要被精确控制。如果细胞增殖过度，则造成癌症；如果细胞凋亡过度，则可引起神经退行性疾病诸如阿尔茨海默氏症。 细胞凋亡的有关知识，了解得最清楚的就是在秀丽隐杆线虫(C a e norha b d itis e le g a ns，C. e le g a ns)中。人们可以精确描述线虫中1 090个细胞的发育命运和其中的凋亡事件，其中有131个细胞在特定的位置和时间发生编程性死亡，留下成体线虫共959个细胞。在20世纪80~90年代，麻省理工的Ho rvitz研究组进行的遗传学研究表明，有4个基因共同严格控制了线虫中的细胞编程性死亡，它们是e g l-1、c e d-9、c e d-4和c e d-3[1]。c e d-3编码一个半胱氨酸蛋白酶C E D-3，特异性针对天冬氨酸残基，称为C a spa se。与所有的C a spa se一样，CE D-3的 这种活性必须受到调控，它被CE D-4激活，发生自身切割。C E D-4的功能又被C E D-9所抑制，而C E D-9又被E GL-1抑制，这样就形成了一个精确的调控系统。 在哺乳动物细胞中，凋亡的机制更为复杂。有两种被详细研究了的细胞凋亡途径：一条是外源性的途径，由胞外“死亡配体”(de a th l i g a nd)触发“死亡受体”(de a th re c e ptor)，进而通过级联反应激活C a sp a se-8——外源性途径的起始C a sp a se；另一方面，许多细胞凋亡由细胞内部事件，如DNA 损伤等压力而触发(内源性途径)，激活C a sp a se-9。在它们被激活后，Ca spa se-8、-9将激活下游效应C a sp a se，如C a sp a se-3、-7等。下游的这些C a sp a se 被激活，进而最终杀死细胞。 本文主要集中讨论另外一条途径——内源性途