仿生設計新材料：你有巧妙的設計，我有機智的模仿
文|侯旭，廈門大學生物仿生及軟物質研究院、福建省柔性功能材料重點實驗室教授、博士生導師，入選2016年第十二批青年「千人計劃」，2014年7月入選美國化學會SciFinder化學領域未來領袖，目前擔任中國旅美科技協會大波士頓分會理事。
謝歆雯，廈門大學物理科學與技術學院研究生
黃立志，廈門大學物理科學與技術學院博士後
陳松月，廈門大學航空航天學院
仿生設計：溝通生物與新材料的橋樑
自然界為新材料的研髮帶來了很多設計靈感，效仿僅僅是第一步，仿生材料從實驗階段進入實際應用更為重要的一步是超越自然。
仿生這一思想早已出現並應用於人類的生產生活，例如骨針（模仿魚刺）、鋸子（模仿帶齒草葉）、車輪（模仿蓬草的飛轉狀態）等。經過長期的演化和自然選擇，生物系統通過優化其組織結構及界面性質等方法，最終進化出了能夠響應外界刺激、適應環境變化的優異性能。現代化表徵及製備合成技術的高速發展推動了人類對這些優異生物特性的深入認知，得益於此，自然宏觀現象背後的微觀作用機製為新材料的研髮帶來了更多的設計靈感。
仿生學在材料科學中的分支稱為仿生材料學，仿生材料學受生物結構和功能的啟發，通過研究生物體宏觀、微觀多尺度結構與其特性之間的相關性，設計合成具有該特性的物質和結構，最終得到具備特定功能的新材料。自然界的生物體給人類帶來了無盡的設計靈感，其中包括了仿生材料領域的諸多研究熱點，例如仿生定向輸運材料、仿生超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生輕質高強度材料、仿生智能薄膜材料等。
仿生定向輸運材料
某些生物體，如仙人掌、蜘蛛、納米布甲蟲，可在乾旱的環境中生存。研究發現，這些生物體具備在稀薄的空氣中收集水的特殊本領，深入探究這些生物的集水方式，將為全球範圍的缺水問題帶來潛在的解決方案。
生活在奇瓦瓦沙漠的一種黃毛仙人掌，它的掌刺尖端長有取向倒鉤，該結構確保液滴只能向尖端根部運動。仙人掌中部的梯度凹槽是一種不對稱結構，該不對稱結構產生的表面張力梯度使得液滴能夠沿著掌刺運動到達尖端根部，而掌刺底部呈帶狀分布的絨毛能夠很好的收集水分。模仿仙人掌掌刺微觀結構的集水機制，可以獲得更大的集水表面，從而使材料的集水能力大大提高。
人們在觀察蜘蛛絲時發現蜘蛛絲本身是疏水的，蜘蛛絲表面周期性地分布有紡錘狀結點。結點兩側拉普拉斯壓力的不同會產生壓力差，使得水滴不斷在蜘蛛絲上聚集，並向節點移動。模仿蜘蛛絲的結構，用聚偏二氟乙烯紡錘結製備的仿蜘蛛絲纖維材料，以紡錘結作為冷凝點和收集點，可以收集較大的水滴，並將其運送到給定位置，具有很強的集水能力。中國科學院江雷院士團隊使用纖維素人造纖維模仿蜘蛛絲結構，並通過改變纖維表面的粗糙度和曲率來調節纖維上毛細管的黏附性，進一步提高了仿蜘蛛絲纖維的集水能力。
納米布沙漠中有一種甲蟲，其翅膀上有一種超親水紋理和超疏水凹槽，可從風中吸取水蒸氣。當親水區的水珠越聚越多時，這些水珠就會沿著甲蟲的弓形後背滾入其嘴中。受該甲蟲的啟發，人們構建了大量的親水疏水圖案化表面，以此實現集水功能的應用。
圖1：(a) 黃毛掌掌刺結構示意圖，（b）- (d) 蜘蛛絲定向集水過程示意圖，（e）沙漠甲蟲照片，甲蟲身體親水紋理（突出部分未染色）、疏水凹槽（蠟狀染色）SEM圖，凹陷區域的紋理表面SEM圖
此外，近期對豬籠草的研究發現，豬籠草口緣區液體能夠持續定向的運輸，其口緣表面的多級溝槽結構能夠加強並且優化這種定向的液體運輸，並防止其迴流。這就能讓水像長著腳似的，在豬籠草的口緣區實現連續的多級輸運。研究人員模擬了豬籠草口緣區的表面結構，使用壓印成型法成功複製了豬籠草口緣區的作用機制。這種無外部動力的液體輸運方式，對於開發設計新型定向流體輸運系統具有很好的指導意義，在農業滴灌、無動力的微藥物傳輸、自潤滑防粘設計等眾多領域具有廣闊的應用前景。
圖2（a）豬籠草結構示意圖，（b）-（c）仿豬籠草材料形貌
仿生超疏水材料
目前，仿生超疏水自清潔表面被應用於社會生產的各個領域，包括太陽能、防霧抗凍、水油分離、自潔表面和智能設備等。自然界給我們提供了諸多學習的榜樣——荷葉、水稻葉、蝴蝶翅膀、水黽腿以及蚊子的複眼等都具有特殊的表面潤濕性。荷葉表面的結構使得水滴不僅不能穩定黏附在荷葉表面而且會自發地反彈或滾落，水滴滾落的過程中會帶走葉子或花瓣上的污垢顆粒，該屬性稱為「蓮花效應」或「自潔效應」；水稻葉表面具有一維的、依次排列的蓮花樣微乳突，該結構能夠產生超疏水性；蝴蝶翅膀具有定向黏附、超疏水自潔功能；水黽腿呈螺旋形狀定向分布的微膠囊賦予它出色的超疏水性；蚊子的複眼具有超疏水、防霧和抗反射功能。這些生物特定表面的超疏水特性引起了科學界的廣泛關注和工業界的大量應用。
圖3（a）荷葉表面水滴形貌及荷葉微觀結構SEM圖,（b）水稻葉表面水滴形貌及荷葉微觀結構SEM圖,（c）蝴蝶翅膀微觀結構SEM圖,（d）水黽腿微觀結構SEM圖,（e）蚊子複眼表面水滴形貌及荷葉微觀結構SEM圖
仿生高黏附材料
玫瑰花瓣表面可以防止水滴滾動並使水滴在花瓣上保持球狀，即使花瓣翻轉這種球形形狀依舊不變。壁虎、蜥蜴的腳趾墊由數以百萬計的鏟形結構、絲狀組織組成，數百萬個鏟型結構與黏附表面之間的范德華力相互作用足以讓壁虎安穩地黏附在作用表面上。以矽片為基底生長碳納米管陣列並將其覆蓋到聚合物表面所製得仿壁虎腳的高黏附材料，具有高於壁虎腳掌的黏附強度。近日，韓國成均館大學龐教授（PangC. H）等在研究章魚腕足吸盤微觀結構時發現，該結構頂端開孔，底部具有球狀突起，這種結構使章魚在水下依然可以牢牢抓緊獵物。受此啟發他們製備了一種具有超強黏附特性的「吸盤貼」。該吸盤在多種外界環境如乾燥、潮濕、水下甚至油相環境下都具有優異的黏附性，能夠多次循環使用，並且不會給材料表面造成任何污染。
圖4（a）壁虎腳掌及其微觀結構，（b）章魚腕足吸盤結構示意圖
仿生輕質高強度材料
輕質（低密度）高強材料在建築、航空航天、國防等領域都有重大的戰略需求。生物在兼具強度和韌性方面提供了很好的天然模板。
人們發現蜘蛛絲除了集水功能外，還有與蠶絲接近的密度，而其強度和彈性都大大超過鋼材，即使拉伸10倍以上也不會斷裂，比鋼還要堅韌。貝殼表面也十分堅硬，尤其是一種鮑魚殼，它表面由碳酸鈣和殼聚糖兩種成分規律性堆積而成，這兩種成分的組合使鮑魚殼表面兼具陶瓷硬質及高分子柔韌的性質。該結構是極好的輕質高強度材料的模板。近年來，科學家利用這種原理開發了很多高分子-陶瓷複合低密度材料，使用石墨烯代替貝殼中的碳酸鈣成分而得到的高分子-片狀石墨烯複合材料，其密度很低且具有很好的力學性能。
自然界動物體和植物體中普遍含有多通道的超細管狀結構。例如，許多植物的莖、鳥類羽毛微觀結構都是中空的多通道微米管道。這種多通道微米管道結構能夠提供足夠的強度並且具有減輕整體結構質量以及提供物質輸送通道等功能，有些生物皮毛中的中空管道還具有保溫功能。採用電紡技術仿生製備的空心納米纖維，材質輕且具有一定的機械強度。
仿生智能薄膜材料
生物體內的各項生命活動都需要膜的參與。科學家在研究膜中納米孔道對電解質離子的運輸這一過程中發現了單嚮導通的離子整流特性和離子選擇性，這一效應可以實現對離子濃度和其運動狀態的控制；受到外界刺激後離子通道能夠快速感知識別並應激處理，外部刺激消除後離子通道又能快速恢復原狀態。例如，電鰻在離子通道的作用下能瞬間應激產生高達600伏的電壓來掠食或逃生，模仿電鰻的離子通道發電機制甚至可以實現發電。
植物體中的微觀氣孔和木質部通過孔道中液體的動態配置來控制植物體空氣、水和微生物交換，並保持一定的自潔能力。生物體中核膜上排列著無序的、具有類似於流體性質的蛋白質，這些蛋白質不僅可以調節各種各樣的物質的差異運輸，而且可以完全防止結垢。肺中氣囊之間的微孔充滿了液體，這些液體可以在孔內可逆地重新配置以響應壓力梯度，起到智能控制氣體進出的功能。這些特殊生物性質應用於薄膜材料研究領域，為仿生設計新型智能多孔膜材料帶來了新的靈感。筆者課題組在該領域開展了仿生納米/微米孔道設計與製備的系列工作。
在納米孔道方面，研究人員將一種或多種功能分子對稱/非對稱修飾到孔道內，開發了協同多響應的仿生智能納米孔道系統；在微米孔道方面，一種基於微孔薄膜材料的仿生液體門控新機制的提出，能夠進行動態調控，實現氣-液以及氣-水-油多相混合物分離。液體門控系統中多孔膜材料在分離輸運物質的同時，其本身具有優異的抗污染性能，這種門控機制將在油水分離、污水處理、混合物除氣、生物感測器等方面展現出重要的應用前景。
前景展望
融合了材料科學、物理化學、工程學、生物學等諸多學科的新型多功能仿生材料，由於其性能獨特、應用前景廣闊，正引起越來越多的關注。除了上述介紹的具有代表性的仿生材料以外，還有許多其他仿生材料也在迅速發展。例如，模仿飛蛾眼睛結構製備防反光材料；模仿蜂巢結構製備隔熱材料；模仿蜘蛛絲或蠶絲結構進而製備人造纖維；模仿電鰻及螢火蟲等生物體內的發光機制製備能量轉換和能量儲存材料等。
自然帶給我們無限的材料學、物理化學等多學科的研究靈感，這些靈感不僅能夠啟發我們更好地設計製備新材料，還能將其應用於開發微/納米智能器件，如發展仿生微流控技術以及仿生納米孔道系統的研究。這些新興的研究方向和方法將促進生物技術、食品工業、膜科學以及感測器等領域的突破性發展，為環境、能源、生物醫學等應用領域提供有利的工具，帶來新的機遇。效仿自然僅僅是第一步，仿生材料從實驗階段進入實際應用領域最終實現超越自然，這是我們科研工作者努力奮鬥的目標。相信未來的10年中，仿生智能材料將會在感測器、藥物緩釋、微流控、4D列印、水處理等諸多領域發揮至關重要的推動作用。
——文章選自《張江科技評論》
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