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自古以来,人类和 大自然是互利共生、不可分割的。随着人 类社会的不断发展,自然界 的各种神奇现象也为先进材料的设计制备提供的了无限的灵感:生物的 骨骼构造比钢铁强硬,啄木鸟 的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼,蜘蛛丝 有数倍钢铁的硬度与延展性,莲花效 应有绝佳的抗污性和疏水性……从自然 界中学习经验自然也成为科技发展的重要推动力,如今已 经极大地促进了纳米、仿生学、光学、催化等领域的发展。


1.超疏水材料


“江南可采莲,莲叶何田田”,出淤泥 而不染的荷叶是天然的不沾水“大师”。20世纪70年代,波恩大 学的植物学家巴特洛特在研究植物叶子表面时发现,莲叶表 面的特殊结构有自我清洁功能。莲花出污泥而不染,自古以 来就被人们认为是纯洁的象征,所以这 一自我清洁功能又被称为“莲花效应”。



荷叶及其SEM图像


除了荷叶,自然界 中还有很多植物和动物具有超疏水现象,如水稻叶片、蝴蝶的翅膀、玫瑰花瓣等。



水稻叶片、蝴蝶翅膀、玫瑰花瓣的SEM图像


这些丰 富多彩的表面现象为研究超疏水材料奠定了基础。目前,超疏水 材料材料在自清洁、防腐蚀、防雾、油水分离、绿色印 刷等众多领域有着极具潜力的应用前景。



氟碳型 超疏水纳米涂料使用效果


氟碳型 超疏水纳米涂料的表面张力极低(<10 mN/m),经过这 种材料处理过的基材不光疏水更可疏油,而且由 于氟碳型涂料的分子可以和基材表面分子结成共价键,附着性强,可以广 泛用在基材如玻璃陶瓷,木材,石材和混凝土上,使得含 水的污液和酸雨难以附着,含油的污液或者油墨(包括涂鸦,不干胶等)也难以附着。



Threadsmiths发明的超疏水T恤


2014年,墨尔本 的服装技术公司Threadsmiths发明了 一种仿荷叶超疏水的T恤。这种T恤可以经过80次以上 的洗涤并且保持超疏水的性质。他们利 用纳米技术对棉纤维进行重新编织使其具有防水性能。



2.细胞膜涂层纳米材料 


细胞是 生物体最基本的构成单元之一,能够在 复杂的体内环境中携带各种物质。因此受 到仿生学研究的启发,以纳米 颗粒为核表面包覆一层细胞膜的新型仿生纳米颗粒近年来开始受到研究人员越来越多的关注。



动物细胞、植物细 胞亚显微结构对比图



各式细 胞膜涂层纳米颗粒


2011年,加州大 学圣地亚哥分校的张良方教授团队首次报道了细胞膜涂层技术(cell membrane coating)。在这项研究中,张良方 教授及其研究团队采用了载有免疫佐剂的癌细胞膜包裹的纳米粒,通过一 系列体外体内实验证实了其在肿瘤预防和肿瘤治疗的显著效果。



载有免 疫佐剂的癌细胞膜包裹的纳米粒预防和治疗肿瘤


此项研 究验证了癌细胞细胞膜包裹的纳米疫苗可以有效地在体内诱导抗肿瘤免疫反应。癌细胞 膜为纳米颗粒提供了更真实的仿生表面,凸显出 此技术平台的独特优势。同时,结合免 疫调节分子的制剂可以更高效地诱导抗癌免疫应答,并充分 发挥纳米技术的优势。可以预见的是,这项技 术可以利用病人自身的肿瘤细胞膜为原材料来进行癌症疫苗的开发,用于癌症复发的预防,从而更 好地服务于个体医疗。



3.人工合成珍珠母


贝壳珍珠层(nacre),又称珍珠母(mother of pearl),通常能 在软体动物贝壳的内表面找到,是软体 动物分泌出来保护自己的物质,与珍珠 的形成密切相关。贝壳的 珍珠层不但色彩绚丽,力学性能也极好,近年来,模拟贝 壳珍珠层结构的仿生复合材料逐渐受到材料学界的广泛重视。




贝壳珍珠层中的95%都是碳酸钙,剩下5%是有机物,其高度有序的“砖-泥”(brick-and-mortar)微观结 构使得珍珠层同时具有出色的强度和韧性,这给科 学家们带来了设计“未来结构材料”的灵感。



模拟生 物矿化过程合成人工珍珠母的步骤


(A)壳聚糖溶液;(B)取向冻 干法制备层状结构壳聚糖框架;(C)乙酰化 后得到几丁质框架;

(D)流动矿 化法生长碳酸钙晶体;(E)蚕丝蛋白浸渍及热压。


中国科 学技术大学俞书宏教授课题组首次报道了一种全新的仿生策略,通过介观尺度的“组装与矿化”,在预先 制备的层状有机框架上进行矿化生长,模拟软 体动物体内珍珠层的生长方式和控制过程,成功制 备了毫米级厚度的珍珠层结构块状材料。所得人 工材料的化学组成和多级有序结构与天然珍珠层高度相似,极限强 度和断裂韧性也可与其相提并论。



4.仿生石墨烯气凝胶


再力花也称水竹芋、水莲蕉,是一种 观赏性水生植物,再力花的茎干通常有2米高,仅6-10毫米厚,具有足 够的强度和弹性,能让植 株在频繁刮风的环境中生存。研究人员发现,再力花茎干中具有3D层层互连结构。



再力花


浙江大 学的谢涛教授等研究人员受轻质、高强度、高弹性 的再力花茎干的启发,模仿其3D层层互连结构,采用双 向冷冻技术以冰为模板将氧化石墨烯组装成类似结构,再经过 冷冻干燥和热还原得到了具有高度有序3D结构的石墨烯气凝胶。这种仿 生石墨烯气凝胶同时具有高强度和高回弹能力。



再力花 茎干结构与仿生结构的石墨烯气凝胶


研究人 员采用双向冷冻技术,首先使冰晶成核,再使其 沿垂直和水平两个方向的温度梯度进行生长,氧化石 墨烯片层在两个方向上平行组装,形成类 似再力花茎干的3D微结构,随后经 过冷冻干燥和热还原得到仿生石墨烯气凝胶。



仿生石 墨烯气凝胶同时具有高强度与高弹性


研究人 员对其强度与弹性进行了测试,发现它 能承受超过其自身重量6000倍的压力,尽管会 被压缩到原大小的一半,但外力 一旦消失这种石墨烯气凝胶就能完全恢复原状。在压缩1000次以上之后,它仍能 保持初始强度的85%。



5.仿壁虎趾材料


壁虎脚 掌上长有无数毛状物体,每根毛 上又拥有上千根极细的纳米级绒毛。这些数 量众多的绒毛在任何地形都可以保证足够的接触面积,靠着范 德华力抓住墙壁(范德华 力是一种分子与分子间的弱相互作用力,同种物 质分子间与不同物质的分子间都存在范德华力)。



壁虎脚趾的微观结构


根据这个原理,科学家 设计了下面的结构。这种结 构的表观接触面积虽然减少了,但是实 际接触面积却大大增加,因此表 现出很强的吸附能力。



 由聚亚氨酯(弹性模量为3MPa)制成的仿壁虎趾结构


壁虎的 脚趾除了有很强的吸附能力外,还具有 很强的自清洁能力,当有尘 埃吸附在它上面时,只需走几步就能将80%的颗粒去除。根据这 个原理我们还可以做出另外的东西—显微操纵器,简单来说,就是可 以操纵微小粒子的仪器。



由聚酯 纤维加上褶皱石墨烯制成的显微操纵器



6.彩色碳纤维织物


结构色 是由于自然界中一系列因特殊光学尺度的微观结构对可见光进行选择性反射、色散、散射、干涉、衍射和 透射等物理作用而产生的五彩缤纷的生物色彩。结构色 所具有的无污染、不褪色、高饱和亮度、无虹彩 效应的显色机理也使其具有其他染色技术所无法比拟的技术优势和广阔的应用前景。这为碳 纤维的生态着色提供了新的思路。



大自然中的结构色


湖北大 学王世敏教授和武汉纺织大学徐卫林教授等指导的研究团队研究出一种有效、易操作 的碳纤维织物着色方法,不仅颜色可调,还具有 优良的耐洗涤性能。


该研究 主要从仿生结构生色的思路出发,采用ALD(原子层沉积)技术在碳纤维/织物表 面构建尺度各异的非晶TiO2薄膜,实现了 碳纤维及其织物的着色。


 



彩色碳 纤维的形成机制及其实际效果图


通过控制非晶TiO2薄膜的厚度,该研究 实现了三原色红、黄、蓝的成功制备,并能通 过三原色的复合,即改变 碳纤维织物表面ALD TiO2的厚度,获得其 他各种不同的颜色。且所形成的TiO2薄膜耐洗涤性能优良,可经受50次的洗涤。这一成 果为实现碳纤维及其织物的生态着色指明了方向。



7.人工光合作用


光合作 用是地球上最重要、规模最大的化学反应,光合作 用是自然界光能转换为化学能的典范。在许多科学家的眼中,树叶是利用太阳能的“高手”。如果能人工造出“树叶”,能源问 题或许就能得到根本性解决。 



人工树叶


美国科学家丹尼尔·诺切拉在第241届美国 化学学会的年会上宣布了其研究小组的最新进展一种廉价高效的“人工树叶”。他在报告中说:“将一加 仑水和人造树叶放置在阳光下,可以提 供发展中国家一个家庭一天的基本用电。”



人工光 合作用反应过程的结构设计


“人工树叶”通过一 种化学催化材料,利用镍和钴,在阳光照耀下进行“半光合作用”,将水在 一定的电压下高效地电解为氧气,同时产生质子和电子;产生的 质子与电子可以结合,生成氢气,提供一种清洁的能源。



图片来源:上海硅酸盐研究所


比起硅光电池板,这种“人工树叶”显然更便宜。可以乐观地认为,将来人 工树叶的光合效率将更高。

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