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1. 课程信息

课程代码 YT151012
课题名称（中文） 偷师大自然：仿生材料的魔力
课题名称（英文） Stealing from nature:the magic of bionics material
开课学院 纺织与服装工程学院
课程照片
课程简介 2020年9月，中国化学会新成立了仿生材料化学专业委员会，仿生材料化学成为新兴的交叉学科方向，涵跨材料、化学、纳米、生物和医学等多学科。自然进化使生物材料具有最优化的宏观和微观结构、自愈合能力和自适应性以及优异的机械性能、润湿性、粘附性等特点。仿生材料则偷师大自然，是建立在自然界原有材料的基础上，人们探究其功能性原理，并通过该原理设计新型功能材料。其源于自然，但超越自然。仿生材料的研究源于对天然材料的考察和分析，明确天然材料的宏观、微观结构与特殊性质之间的关系成为制备仿生材料的必备之路。本课程围绕人类周边的各种生物，比如荷叶、鲨鱼、猪笼草、贻贝、蝴蝶、变色龙、蜘蛛丝、树叶和仙人掌等等展开，分析和讨论“荷叶为什么不粘污泥？、北极熊为什么可以红外隐身？、仙人掌如何集水？、壁虎如何飞檐走壁？、蝴蝶的翅膀为什么是彩虹色？”等现象，并延伸介绍和讨论由此而来的仿生材料及其应用领域。本课程主要介绍以下六类仿生材料：仿生超浸润材料、仿生粘附材料、仿生智能材料、仿生能源材料、仿生纤维材料和仿生结构材料。
学分 2
学时 36
教师介绍 程丝，女，教授，2009年12月获www.优德88.cpm 材料学博士学位；2011年7月-2012年7月在香港中文大学物理系从事博士后研究。主持国家自然科学基金3项，主持江苏省高校自然科学基金1项；授权发明专利8项；在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew Chem. Int. Ed、Adv. Func. Mater.等TOP期刊上发表SCI论文共35篇。研究方向为有机/无机功能性纳米材料用于油水分离、电催化等领域，长期从事仿生纳米纤维和薄膜材料的设计和应用。
另外，课程负责人具有丰富的指导本科生课外学术科研活动的经验，指导本科生团队获国家级和省级大学生创新创业训练计划各1项；指导本科生获www.优德88.cpm 挑战杯二等奖；指导本科生团队获课外学术基金3项（1项重点，2项一般）；指导本科生以第一作者发表SCI论文2篇。这些经验有助于帮助学生培养研究和探索的兴趣，引导学生具备初步的www.优德88.cpm 能力。
教师照片
教师邮箱 chengsi@suda.edu.cn
开课学期 秋季　春季
每班授课人数 30
秋季学期 预设开课校区及班级数
天赐庄校区：1个班
独墅湖校区：0个班
阳澄湖校区：0个班
春季学期 预设开课校区及班级数
天赐庄校区：0个班
独墅湖校区：1个班
阳澄湖校区：0个班
选课学生要求 理、工、农、医




2. 课程主讲人信息


姓名 刘泽柯
性别 男
职称 副教授
工作部门 纳米科学与技术
办公电话 0512-65880927
邮件 zkliu@suda.edu.cn
照片刘泽柯，www.优德88.cpm 功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）副教授。www.优德88.cpm 博士（2011-2016），期间在美国加州大学伯克利分校Paul Alivisatos教授课题组进行联合培养（2015-2016）。入选博士后创新人才支持计划，在美国印第安纳大学伯明顿分校进行联合博士后研究（2017-2019），2019年加入www.优德88.cpm 纳米与科学技术学院。主要从事半导体纳米晶的可控合成及其光电器件的应用研究，以第一/通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等期刊上发表学术论文40余篇，获评2016-2020年博士后创新人才支持计划十大创新成果。Frontiers in Photonics编委。主持国家、省部级科研项目5项。




3. 研讨课设计

课程设计
Topic2荷叶效应与自清洁

一、上一堂布置学生课外观察作业，观察两种现象：
1、水洒在在荷叶上，形成滚动的水珠，“大珠小珠落玉盘”；
2、将水洒在棉布衣服上，水滴摊开被衣服吸收；
3、两种现象有什么不同？
二、两个短视频：
1）荷叶效应；
2）神奇的涂层材料。材料表面涂覆后不沾油，不沾污泥，自清洁效应
三、讨论：生活中还有其它什么地方可以观察到类似的现象？
四、如何实现？
通过文献、图片及视频介绍荷叶效应的研究历史、荷叶表面的结构。
1）周敦颐在《爱莲说》中称莲有“出淤泥而不染”的特性，依此来表现莲的气度和凤节。莲的这种特性自清洁特性是因为雨滴会带走荷叶表面的污渍而使表面保持干净，这一现象被称为“荷叶效应”。
2）但是直到1997年，科研人员才去探索荷叶效应背后的真正原因。德国科学家Barthlott利用扫描电子显微镜观察到荷叶表面有很多微米级的乳突结构，首次提出了荷叶效应归功于微米凸起和表面蜡质层共同作用。
3）而后，我国的江雷院士进一步发现每个微观结构上还分布大量的纳米级颗粒，蜡质层是由三维蜡小管构建。最终明确荷叶效应是由表面微纳复合结构和表面蜡质层的协同作用实现，从而引发仿生制备超疏水表面的研究热潮。
4）引入思政点：好奇心、探索精神和民族自豪感。
五、荷叶的下表面又是怎样的？分组实验验证：
材料：荷叶和睡莲，将水和食物油分别滴在荷叶和睡莲的上下表面。观察现象，讨论。
六、讨论和讲解：
1）荷叶的上表面和下表面有什么不同？提供文献资料和图片
2）为何同为水生植物叶片，荷叶亭亭玉立，睡莲却匍匐水面生长。提供文献资料和图片
七、引出超疏水、超亲水、超疏油和超亲油的概念及应用（自清洁和油水分离）
八、如何仿生构筑超浸润性表面？（文献和图片）
结合荷叶表面的结构特点，文献阅读，介绍仿生构筑超浸润性表面的方法。
Topic3鲨鱼皮与“鲨鱼皮”泳衣

一、上一堂布置学生课外作业，文献调研，图片收集近三十年来泳衣奥运会和世锦赛冠军的泳衣款式，泳衣的更新迭代。
二、短视频：
1）悉尼奥运会，索普的游泳比赛视频。3枚金牌，3项世界纪录。
2) 2008北京奥运会，菲尔普斯的游泳比赛视频。8枚金牌
注意观察两个：破纪录的个数和泳衣的款式。
三、调研、讨论和提问：泳衣有什么不同？为什么高科技泳衣屡次打破世界纪录？
四、“鲨鱼皮”泳衣的历史及演变。（文献、图片及视频）
1999年10月，国际泳联正式允许穿“鲨鱼皮”泳衣参赛。
2000年索普首次穿第一代“鲨鱼皮”泳衣参加悉尼奥运会。
2008年，北京奥运会菲尔普斯穿第四代“鲨鱼皮”泳衣，一人8枚金牌。
2009年，罗马是世锦赛，43人穿“鲨鱼皮”泳衣打破世界纪录。
2010年，比赛禁止使用“鲨鱼皮”泳衣。
2018年，雅加达，中国运动员刘湘打破“鲨鱼皮”泳衣时代的记录。
引入思政元素：努力拼搏、战胜自我、永不放弃、体育精神、民族自豪感
五、提问、讨论和讲解： 为什么鲨鱼能在水中快速游动？
文献、图片和视频讲解鲨鱼皮的结构。
六、提问、讨论和讲解：为什么“鲨鱼皮”泳衣能有助于提高游泳运动员的成绩？
通过文献、图片和视频分析讲解四代“鲨鱼皮”高科技泳衣。
七、提问讨论：鲨鱼皮的结构还能用在什么地方？
降低流动阻力：船体，飞机，航空发动机部件。
八、如何仿生构筑类似鲨鱼皮的结构？（文献和图片）
Topic4仙人掌与沙漠集水器

一、上一堂布置学生课外作业，调研在沙漠中都生存着哪些动植物？有何特点？
二、短视频：
1）骆驼吃仙人掌
2）沙漠集水器：
3）莱顿弗罗斯特效应，水滴往上走：
三、实验和讨论：
材料：仙人掌，小刀
1）仙人掌的尖刺：有什么用？为什么刺状？
2）解剖仙人掌内部：蓄水
四、讲解仙人掌针刺的微观结构（文献、图片及视频）
1）阵列状针状簇刺：三部分组成，定向倒刺、梯度凹槽和带状结构的毛状体。
2）雾气沉积倒钩、水滴定向移动、水滴聚集变大、毛状体吸收。
五、讨论和讲解：为什么水滴会在仙人掌刺表面定向移动？（文献、图片）
文献和图片介绍仙人掌刺的微观结构
1）渐变凹槽
2）粗糙度梯度
3）莱顿弗罗斯特效应
六、讨论和讲解：还有哪些生物具有类似功能或结构？（图片、文献和视频）
蜘蛛丝、沙漠甲壳虫
1）蜘蛛丝的集水过程（视频）
2）沙漠甲虫的集水过程（视频）
七、讲解和讨论：蜘蛛丝和沙漠甲虫的特殊结构和定向输水的原理（文献阅读、图片分析）
八、讨论和讲解：如何仿生实现沙漠集水？（文献阅读、图片和视频）
Topic6北极熊与红外隐身材料

一、上一堂布置学生课外作业，文献查阅什么是红外隐身？用在何处？
二、短视频：
1）北极熊的红外隐身。
2) 红外隐身衣。
三、文献查阅和讨论：
1、北极熊的毛皮有何特点？为什么可以御寒和红外隐身？
2、什么情况下可以实现红外隐身？
四、讲解北极熊毛的结构与保暖与仿生制备（文献、图片及视频）
1）北极熊能在极寒环境下生存，源于其全身覆盖具有极强保温能力的毛发及厚厚的脂肪层。
2）北极熊的毛发结构。上下两层毛发，锁住空气；中空结构，阻隔热传递。
3）毛发不是白色而是半透明的，毛发下面是黑色的。
五、讲解如何实现红外隐身?北极熊的红外隐身效果（文献、图片及视频）
1）世界上任何物体，只要它的温度高于绝对零摄氏度（-273oC），便随时向外发射红外辐射。随着温度增加，红外辐射越强。因此，红外探测器可探测到图像。
2）降低红外辐射就是降低目标与背景的热对比度，使红外探测器接收不到足够的热量。
3）通过降低辐射体的温度和降低目标的功率实现。
六、讨论：还有哪些生物具有类似功能或结构？（企鹅）
七、仿生隔热材料的设计及用途
1）仿生中空（多空腔）结构
2）多孔结构
3）气凝胶。最轻的固体材料，“固体烟”