仿生設(shè)計(jì):溝通生物與新材料的橋梁

自然界為新材料的研發(fā)帶來了很多設(shè)計(jì)靈感，效仿僅僅是第一步，仿生材料從實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用更為重要的一步是超越自然。

仿生這一思想早已出現(xiàn)并應(yīng)用于人類的生產(chǎn)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(zhuǎn)狀態(tài)）等。經(jīng)過長(zhǎng)期的演化和自然選擇，生物系統(tǒng)通過優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)及界面性質(zhì)等方法，最終進(jìn)化出了能夠響應(yīng)外界刺激、適應(yīng)環(huán)境變化的優(yōu)異性能。現(xiàn)代化表征及制備合成技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)了人類對(duì)這些優(yōu)異生物特性的深入認(rèn)知，得益于此，自然宏觀現(xiàn)象背后的微觀作用機(jī)制為新材料的研發(fā)帶來了更多的設(shè)計(jì)靈感。

仿生學(xué)在材料科學(xué)中的分支稱為仿生材料學(xué)，仿生材料學(xué)受生物結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，通過研究生物體宏觀、微觀多尺度結(jié)構(gòu)與其特性之間的相關(guān)性，設(shè)計(jì)合成具有該特性的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)靈感，其中包括了仿生材料領(lǐng)域的諸多研究熱點(diǎn)，例如仿生定向輸運(yùn)材料、仿生超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生輕質(zhì)高強(qiáng)度材料、仿生智能薄膜材料等。

仿生定向輸運(yùn)材料

某些生物體，如仙人掌、蜘蛛、納米布甲蟲，可在干旱的環(huán)境中生存。研究發(fā)現(xiàn)，這些生物體具備從稀薄的空氣中收集水的特殊本領(lǐng)，深入探究這些生物的集水方式，將為全球范圍的缺水問題帶來潛在的解決方案。

生活在墨西哥奇瓦瓦沙漠的一種黃毛仙人掌，它的掌刺尖端長(zhǎng)有取向倒鉤，該結(jié)構(gòu)確保液滴只能向尖端根部運(yùn)動(dòng)。仙人掌中部的梯度凹槽是一種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該不對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的表面張力梯度使得液滴能夠沿著掌刺運(yùn)動(dòng)到達(dá)尖端根部，而掌刺底部呈帶狀分布的絨毛能夠很好地收集水分。模仿仙人掌掌刺微觀結(jié)構(gòu)的集水機(jī)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?cè)谟^察蜘蛛絲時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)兩側(cè)拉普拉斯壓力的不同會(huì)產(chǎn)生壓力差，使得水滴不斷在蜘蛛絲上聚集，并向結(jié)點(diǎn)移動(dòng)。模仿蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)，用聚偏二氟乙烯紡錘結(jié)制備的仿蜘蛛絲纖維材料，以紡錘結(jié)作為冷凝點(diǎn)和收集點(diǎn)，可以收集較大的水滴，并將其運(yùn)送到指定位置，具有很強(qiáng)的集水能力。中國科學(xué)院江雷院士團(tuán)隊(duì)使用纖維素人造纖維模仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)，并通過改變纖維表面的粗糙度和曲率來調(diào)節(jié)纖維上毛細(xì)管的黏附性，進(jìn)一步提高了仿蜘蛛絲纖維的集水能力。

仿生定向輸運(yùn)材料示例一

非洲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(fēng)中吸取水蒸氣。當(dāng)親水區(qū)的水珠越聚越多時(shí)，這些水珠就會(huì)沿著甲蟲的弓形后背滾入其嘴中。受該甲蟲的啟發(fā)，人們構(gòu)建了大量的親水疏水圖案化表面，以此實(shí)現(xiàn)集水功能的應(yīng)用。

此外，近期對(duì)豬籠草的研究發(fā)現(xiàn)，豬籠草口緣區(qū)液體能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)定向的運(yùn)輸，其口緣表面的多級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)并且優(yōu)化這種定向的液體運(yùn)輸，并防止其回流。這就能讓水像長(zhǎng)著腳似的，在豬籠草的口緣區(qū)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的多級(jí)輸運(yùn)。研究人員模擬了豬籠草口緣區(qū)的表面結(jié)構(gòu)，使用壓印成型法成功復(fù)制了豬籠草口緣區(qū)的作用機(jī)制。這種無外部動(dòng)力的液體輸運(yùn)方式，對(duì)于開發(fā)設(shè)計(jì)新型定向流體輸運(yùn)系統(tǒng)具有很好的指導(dǎo)意義，在農(nóng)業(yè)滴灌、無動(dòng)力的微藥物傳輸、自潤(rùn)滑防粘設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

仿生定向輸運(yùn)材料示例二

仿生超疏水材料

目前，仿生超疏水自清潔表面被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，包括太陽能、防霧抗凍、水油分離、自潔表面和智能設(shè)備等。自然界給我們提供了諸多的學(xué)習(xí)榜樣——荷葉、水稻葉、蝴蝶翅膀、水黽腿以及蚊子的復(fù)眼等，它們都具有特殊的表面潤(rùn)濕性。荷葉表面的結(jié)構(gòu)使得水滴不僅不能穩(wěn)定黏附在荷葉表面，而且會(huì)自發(fā)地反彈或滾落，水滴滾落的過程中會(huì)帶走葉子或花瓣上的污垢顆粒，該屬性稱為“蓮花效應(yīng)”或“自潔效應(yīng)”；水稻葉表面具有一維的、依次排列的蓮花樣微乳突，該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)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；蚊子的復(fù)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(xué)界的廣泛關(guān)注和工業(yè)界的大量應(yīng)用。

仿生超疏水材料示例

仿生高黏附材料示例

仿生高黏附材料

玫瑰花瓣表面可以防止水滴滾動(dòng)并使水滴在花瓣上保持球狀，即使花瓣翻轉(zhuǎn)，這種球形形狀依舊不變。壁虎、蜥蜴的腳趾墊由數(shù)以百萬計(jì)的鏟形結(jié)構(gòu)、絲狀組織組成，數(shù)百萬個(gè)鏟型結(jié)構(gòu)與黏附表面之間的范德華力相互作用足以讓壁虎安穩(wěn)地黏附在作用表面。以硅片為基底生長(zhǎng)碳納米管陣列并將其覆蓋到聚合物表面所制得仿壁虎腳的高黏附材料，具有高于壁虎腳掌的黏附強(qiáng)度。近日，韓國成均館大學(xué)方昌玄（Changhyun Pang）教授等人在研究章魚腕足吸盤微觀結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)頂端開孔，底部具有球狀突起，這種結(jié)構(gòu)使章魚在水下依然可以牢牢抓緊獵物。受此啟發(fā)他們制備了一種具有超強(qiáng)黏附特性的“吸盤貼”。該吸盤在多種外界環(huán)境如干燥、潮濕、水下甚至油相環(huán)境下都具有優(yōu)異的黏附性，能夠多次循環(huán)使用，并且不會(huì)給材料表面造成任何污染。

仿生輕質(zhì)高強(qiáng)度材料

輕質(zhì)（低密度）高強(qiáng)材料在建筑、航空航天、國防等領(lǐng)域都有重大的戰(zhàn)略需求。生物在兼具強(qiáng)度和韌性方面提供了很好的天然模板。

人們發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲除了集水功能外，還有與蠶絲接近的密度，而其強(qiáng)度和彈性都大大超過鋼材，即使拉伸10倍以上也不會(huì)斷裂，比鋼還要堅(jiān)韌。貝殼表面也十分堅(jiān)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(guī)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(zhì)及高分子柔韌的性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)是極好的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的模板。近年來，科學(xué)家利用這種原理開發(fā)了很多高分子-陶瓷復(fù)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-片狀石墨烯復(fù)合材料，其密度很低卻具有很好的力學(xué)性能。

自然界動(dòng)物體和植物體中普遍含有多通道的超細(xì)管狀結(jié)構(gòu)。例如，許多植物的莖、鳥類羽毛微觀結(jié)構(gòu)都是中空的多通道微米管道。這種多通道微米管道結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的強(qiáng)度，并且具有減輕整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及提供物質(zhì)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。采用電紡技術(shù)仿生制備的空心納米纖維，材質(zhì)輕且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

仿生智能薄膜材料

生物體內(nèi)的各項(xiàng)生命活動(dòng)都需要膜的參與。科學(xué)家在研究膜中納米孔道對(duì)電解質(zhì)離子的運(yùn)輸這一過程中發(fā)現(xiàn)了單向?qū)ǖ碾x子整流特性和離子選擇性，這一效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子濃度和其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制：受到外界刺激后離子通道能夠快速感知識(shí)別并應(yīng)激處理，外部刺激消除后離子通道又能快速恢復(fù)原狀態(tài)。例如，電鰻在離子通道的作用下能瞬間應(yīng)激產(chǎn)生高達(dá)600伏的電壓來掠食或逃生，模仿電鰻的離子通道發(fā)電機(jī)制甚至可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。

植物體中的微觀氣孔和木質(zhì)部通過孔道中液體的動(dòng)態(tài)配置來控制植物體空氣、水和微生物交換，并保持一定的自潔能力。生物體中核膜上排列著無序的、具有類似于流體性質(zhì)的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)不僅可以調(diào)節(jié)各種各樣的物質(zhì)的差異運(yùn)輸，而且可以完全防止結(jié)垢。肺中氣囊之間的微孔充滿了液體，這些液體可以在孔內(nèi)可逆地重新配置以響應(yīng)壓力梯度，起到智能控制氣體進(jìn)出的功能。這些特殊生物性質(zhì)應(yīng)用于薄膜材料研究領(lǐng)域，為仿生設(shè)計(jì)新型智能多孔膜材料帶來了新的靈感。筆者課題組在該領(lǐng)域開展了仿生納米/微米孔道設(shè)計(jì)與制備的系列工作。

在納米孔道方面，研究人員將一種或多種功能分子對(duì)稱/非對(duì)稱修飾到孔道內(nèi)，開發(fā)了協(xié)同多響應(yīng)的仿生智能納米孔道系統(tǒng)；在微米孔道方面，一種基于微孔薄膜材料的仿生液體門控新機(jī)制，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)氣-液以及氣-水-油多相混合物分離。液體門控系統(tǒng)中多孔膜材料在分離輸運(yùn)物質(zhì)的同時(shí)，其本身具有優(yōu)異的抗污染性能，這種門控機(jī)制將在油水分離、污水處理、混合物除氣、生物傳感器等方面展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。

前景展望

融合了材料科學(xué)、物理化學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等諸多學(xué)科的新型多功能仿生材料，由于其性能獨(dú)特、應(yīng)用前景廣闊，正引起越來越多的關(guān)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(fā)展。例如，模仿飛蛾眼睛結(jié)構(gòu)，制備防反光材料；模仿蜂巢結(jié)構(gòu)，制備隔熱材料；模仿蜘蛛絲或蠶絲結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制備人造纖維；模仿電鰻及螢火蟲等生物體內(nèi)的發(fā)光機(jī)制，制備能量轉(zhuǎn)換和能量?jī)?chǔ)存材料等。

自然界帶給我們無限的材料學(xué)、物理化學(xué)等多學(xué)科的研究靈感，這些靈感不僅能夠啟發(fā)我們更好地設(shè)計(jì)制備新材料，還能將其應(yīng)用于開發(fā)微/納米智能器件，如發(fā)展仿生微流控技術(shù)以及仿生納米孔道系統(tǒng)的研究。這些新興的研究方向和方法將促進(jìn)生物技術(shù)、食品工業(yè)、膜科學(xué)以及傳感器等領(lǐng)域的突破性發(fā)展，為環(huán)境、能源、生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域提供有利的工具，帶來新的機(jī)遇。效仿自然僅僅是第一步，仿生材料從實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域最終實(shí)現(xiàn)超越自然，這是我們科研工作者努力奮斗的目標(biāo)。相信未來的10年中，仿生智能材料將會(huì)在傳感器、藥物緩釋、微流控、4D打印、水處理等諸多領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的推動(dòng)作用。