“構筑”神奇的仿生世界——記北京航空航天大學化學與環境學院趙勇教授

本刊記者 李明麗

“構筑”神奇的仿生世界
——記北京航空航天大學化學與環境學院趙勇教授

本刊記者 李明麗

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯系起來了。仿生學家根據蒼蠅嗅覺器官的結構和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。

早在上世紀40年代，人們根據對螢火蟲的研究，創造了日光燈，使人類的照明光源發生了很大變化。

19世紀初，意大利物理學家伏特，以電魚發電器官為模型，設計出世界上最早的伏特電池。

五彩的蝴蝶錦色粲然，重月紋鳳蝶，褐脈金斑蝶，科學家通過對蝴蝶色彩的研究，為軍事防御帶來了極大的裨益。

科技發明的最終目的，是為了使我們掌握方法、獲得工具，在最短時間內通過最佳途徑，到達目的地。那些致力于科技發展的人，努力探尋捷徑，推動世界飛速發展。他們像一個個魔術師，展示著令人眼花繚亂的“魔術”，讓世人震驚而獲益。

趙勇，就是這樣一位魔術師，他將自己所有的熱愛和精力，以一種深沉的感情，將仿生材料學推到了一個全新的高度。

蛛絲奇跡 神奇的仿生

達芬奇說過：“人類的靈性將會創設出多樣的發明來，但是它并不能使得這些發明更美妙、更簡潔、更明朗；因為自然的物產都是最恰到好處的。”但是，仿生學的典范成就并非來自對自然的模仿，而是努力探究自然系統背后的原理與機制，然后對其加以具體應用的結果。

蜘蛛絲是大自然幾億年進化中創造的奇跡，具有很高的強度、彈性、柔韌性、伸長度和抗斷裂功能，以及輕盈、耐紫外線、生物可降解等優點，是包括蠶絲在內的天然纖維和合成纖維所無法比擬的。近年來美國、瑞士、加拿大、日本、德國、丹麥等國先后對蜘蛛絲進行了深入的研究。但是，對于霧氣中的蜘蛛絲能夠懸掛大量水滴這一常見現象卻從未被關注。

受這一現象啟發的趙勇，利用光學顯微鏡和電子顯微鏡對蜘蛛網進行了觀察，發現篩孔蜘蛛的捕捉絲在遇到霧而潤濕時，能由納米纖維組成的蓬松和鏈結構變成周期的紡錘節結構和纖細的鏈接結構。在紡錘節上形成無序分布的納米纖維，而在鏈接上則形成有序排列的納米纖維結構。這些結構特性在紡錘節和鏈接之間形成了表面能量梯度，同時由于曲率梯度還產生拉普拉斯壓差，正是這些微觀多結構的耦合，產生兩個梯度的力協同地作用于小尺度液滴上，使蜘蛛絲能夠實現一個連續的水凝結傳輸過程，其結果是較大的水滴能夠被快速而高效的收集，對蜘蛛絲高效定向集水機理揭示的重要科學意義在于解決了以往在小尺度液滴驅動上的瓶頸問題。

從實際應用的角度來說，仿蜘蛛絲集水的“多協同效應”機制的多級結構材料將對于設計大規模的人造纖維網以收集霧水，滿足水源缺乏地區人們的淡水需求具有重要意義；此外，還可以設計纖維網狀材料，以用到局部地區除霧、工業加工和生產過程中的浮質過濾等等。

2010年2月，以趙勇教授為通訊作者完成的論文——“蜘蛛絲的方向性集水效應”，作為封面文章發表在國際權威刊物Nature 2010, 463, 640上，發表后立即引起世界各大媒體的廣泛關注：包括Nature新聞網，《科學美國人》、《探索》雜志，英國廣播公司，材料研究協會、英國皇家化學會網站，俄羅斯科學網，新華網等都對該工作進行了報道。

美國懷俄明州大學的R a n d o l p h Lewis 教授評價說“這項研究的有趣之處是這種（集水）效應完全是由于纖維本身。蜘蛛絲有一種特性，就是不被任何材料所匹配，如果我們能了解到怎樣去匹配這個特性，我們將會研制出一種較高性能并具有廣泛應用前景的綠色材料。”

“中國科學家在正確的方向上邁出了重要的一步。”

荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。上世紀九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。這是“荷葉效應”能自潔葉面的奧妙所在。荷葉自清潔效應可以使我們不必再去清洗汽車或門窗，這聽起來很動人，但是實際上還有很長的路要走。

為了實現這樣的目標，在艱苦的探索后，趙勇及其團隊注意到傳統的制備超疏水自清潔表面的方法通常需要復雜的步驟且多限于實驗室規模。因此，他們認為靜電力制備技術有望成為制備超疏水表面的新方法。基于此設想，他們通過調節電場力與液體表面張力及高分子溶液粘彈性三者之間的關系，得到了不同表面形貌的薄膜，并研究了其浸潤性。

他們首次報導了電紡仿生制備具有多孔微球與納米纖維復合結構的類荷葉自清潔效應的超疏水薄膜，為低成本大規模制備自清潔表面提出了一種有效的新方法，成果發表在Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,4338上，被選為Wiley Newsworthy，編輯評價“荷葉自清潔效應可以使我們不必再去清洗汽車或門窗，這聽起來很動人，但是實際上還有很長的路要走。中國科學家在正確的方向上邁出了重要的一步。”

該方法現已成為超疏水自清潔材料制備的經典方法之一，該文章已被他引280次。美國MIT著名高分子科學家Robert. E. Cohen利用到他們提出的方法，在此基礎上，進一步制備了可以隨溫度變化實現超疏水與超親水之間可逆轉變的智能響應薄膜，這為低成本制備智能開關材料提供了一種新方法。

“仿生的一大進步”

自然界中的生命體經過長期進化，通過適應生存環境，生物材料的結構與功能已達近乎完美的程度。因此，仿生制備具有多級結構的功能材料是材料科學發展的重要方向之一，也是目前國際上研究的前沿熱點領域之一。

趙勇及其團隊從蜘蛛的多口仿絲器受到啟發，在國際上首次提出多流體復合電紡的概念，成功制備了具有獨特多通道內部結構的一維微納米材料，且通道數目精確可控。該工作一方面提出了一種全新的微納米材料制備方法，另一方面該方法所制備的獨特的多通道結構是之前其它任何方法所沒有得到過的，從而進一步豐富了微納米復合結構材料家族。

2007年，該工作發表在J.A m.Chem.Soc.2007,129,764，被選為當期ACS News 及Most-Accessed Articles，并被多家媒體以“一種新型微管制備方法”和“仿生的一大進步”為題進行了相關報道。

美國康奈爾大學的Y.L.Joo教授在Small 2009,5,2323中引用他們的文章評價“這個方法學能夠作為一種更為簡單和更加可控的手段用于制備紡生多通道結構的微管。”

就像破繭成蝶一樣，每一次掙脫束縛都是一種蛻變。跨過這些困難，頂住這些壓力，你就前進了一大步。他們總在不斷的突破自己，在理想與現實的結合點上，去追求發現的樂趣。

作為一類獨特的結構材料，中空膠體粒子吸引了越來越多的注意，這是由于他們在廣泛的應用領域具有重要技術價值，例如藥物輸運，人造細胞，輕質添料，催化，鋰電池和化學儲能等。

根據對電紡絲和電噴霧的理解，趙勇及其團隊進一步擴展了多流體電射流技術的應用范圍，發展了一種復合流體電噴霧技術，在國際上首次制備了多空腔和多組分微膠囊。該工作的意義在于可以將多種功能組分一步包覆在同一微膠囊之內并且互不干擾，解決了以往的微膠囊制備技術通常只能一次包覆一種物質的瓶頸(J.Am.Chem.Soc.2008,130,7800)。

C&E News對該工作的評價是“這一技術將在藥物輸運、材料科學和食品科學中得到應用。而以前的方法若想同樣包覆多種組分需要許多的步驟并且很難做到多組分間彼此分開。”多流體電噴的進一步研究工作應邀在Chinese Sci.Bull.2009,54,3147作為封面文章發表，相關工作被中國科學院院士工作局《學部通訊》給予封面報道。

用新觀念帶好新時代的兵是趙勇團隊常打硬仗的關鍵，而做好一個合格將帥的同時，他還密切關注行業發展、關注國際發展最前沿。從自然生物材料中汲取靈感，仿生制備具有多級微納米復合結構的功能材料是化學與材料科學發展的重要方向之一，也是目前國際上研究的前沿熱點領域之一。在科研工作中勇于創新的趙勇團隊將立足仿生材料這一前沿課題，開展“多級結構微納米復合材料制備及功能研究”。

把成果看作是一個經歷，把榮譽看作是一種鼓舞，對于一位在科研殿堂里執著求索的青年科學家來說，也許這是最寶貴的品質，因為擁有一顆淡然而執著的心，才能讓自己以榮譽為起點，更堅定地在科研道路上走下去，走出一條越來越寬、越來越遠的路。