走近前沿新材料I：当代“鲁班”的故事-揭秘道法自然的仿生材料
“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天地母。吾不知其名，字之曰道，强为之名曰大。大曰逝，逝曰远，远曰反。故道大，天大，地大，人亦大。域中有四大，而人居其一焉。人法地，地法天，天法道，道法自然。”
——《道德经》
一、仿生材料的前世今生
自然界中最奇妙的事物莫过于生命，经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化，地球上的生灵们形成了各自的“独门绝技”，其结构和性能达到了近乎完美的程度，并获得了环境自适应性和自愈合能力。当科学家们潜心去研究这些鬼斧神工的“绝技”时，会发现人类面对的很多难题早已被大自然的聪明才智解决了。就这样，人类从自然界吸取灵感，学习并发展大自然的“绝技”，甚至达到了巧夺天工的效果，这就是神奇的仿生。
自古以来，自然界就是人类各种发明创造、技术方法及工程原理的源泉。还记得古代杰出工匠鲁班模仿叶子边缘而发明锯的故事吗？这算得上中国历史上最具代表性的仿生学应用了。虽然仿生早有雏形并指导人类的生产活动，但其作为一门独立的学科是源于上个世纪六十年代在美国召开的第一届仿生学讨论会。1960年9月，美国科学家斯梯尔（Jack Ellwood Steele）首次提出仿生学（Bionics）的概念，由此引发了这个全新的研究领域的热潮。仿生学一词由拉丁文“bion”（生命方式的意思）和字尾“ic”（‘具有……的性质’的意思）构成，其是研究生物系统的结构和特征，并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学。简言之，仿生学就是模仿自然界中生物的科学。美国著名的分子生物学家斯蒂芬•威恩怀特曾认为，仿生学将成为21世纪最重要的生物科技。
仿生学是一门生物学、数学和工程技术学等相辅相成的新兴科学，而其在材料科学领域衍生的仿生材料，极大地改变了人类的生活方式，已成为仿生学在实际应用中的重要利器。所谓的仿生材料，是指仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料。正是由于自然材料的诸多优异特性，科学家们从更微观的层次道法自然，设计并制备出高性能的仿生材料来为人类科技文明服务，比如仿生人工骨材料、仿壁虎黏附材料、仿蜘蛛人造纤维、仿贝壳高强材料等等（图1）。这些蓬勃发展的仿生材料便是当今时代的“鲁班”，极大地改变了人类的生活方式。
图1 生活中的仿生材料（图片来源于网络）
二、无所不能的当代“鲁班”
近年来，仿生材料发展迅速，种类繁多，在各个领域中大显身手，引发了一股又一股的科技创新浪潮。
2.1 “与水共舞”的仿生超浸润界面材料
仿生超浸润界面材料是上世纪90年代末以来迅速发展起来的一类新型仿生材料，其灵感来源于自然界生物为了适应生存环境而形成的具有特殊浸润性的功能界面。
“出淤泥而不染”的荷叶效应
自然界中某些植物叶片的自清洁效果引起了科学家们极大的兴趣，这种自清洁性质以荷叶为典型代表，因此这种现象被称为“荷叶效应”。荷叶素有“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的美誉，细雨过后，水滴有如洒在翠玉盘上的珍珠在荷叶表面随风摇曳，将叶片上的细小灰尘粘附在身。随着水珠叭嗒叭嗒滑落，表面的灰尘也随之而去，从而保持叶片表面的干燥清洁。1997年，德国生物学家Barthlott和Neihuis通过对近300种植物的叶片进行研究，发现荷叶表面有很多凸起，这些凸起是由一种叫做角质层蜡的疏水性物质组成的。实验揭示了叶片具有自清洁功能是由于表面上的微米结构乳突和具有疏水性质的蜡状物质共同作用。2002年我国科学家江雷研究员课题组进一步发现荷叶表面的微米结构乳突上以及乳突之间还存在着树枝状的纳米结构，从而揭示了这种微米和纳米分级复合结构是表面超疏水的根本原因（图2）。基于对荷叶效应的深入研究，人们通过模仿荷叶表面微观结构来制备具有微/纳复合结构的仿生超疏水材料，从而奠定了仿生超浸润材料的基础。此后，仿生超疏水材料日益成为仿生技术的一大焦点，应用在国防、工农业生产以及日常生活等众多领域。譬如我国的标志性建筑物国家大剧院便采用了具有自清洁功能的仿生玻璃，多年之后仍保持“肤白貌美不怕水”。
图2 荷叶效应及表面微观结构（图片来源于网络）
水滴的“规行矩步”
水珠在荷叶表面仿佛一个不听话的孩子，可以向任意方向滚动而不受阻碍，这说明荷叶表面的各个方向浸润性是各向同性的。但与荷叶不同，在水稻叶表面上水滴表现得很“听话”，仅沿着平行叶脉方向滚动。水稻叶片虽然表面也具有和荷叶类似的微米/纳米复合的阶层结构，但是其乳突是沿着平行于叶片边缘的方向有序排列，而在垂直的方向上无序排列。研究发现，这种表面微米级乳突的特殊排列方式导致了水滴在水稻叶表面的浸润各向异性。蝴蝶翅膀是另一个典型的各向异性浸润的案例。蝴蝶在飞行过程中被雨滴击中而不会落下，是因为水滴会沿着翅膀轴心放射方向滚动从而不会沾湿身体影响飞行。这样的水滴滚动方式是因为其表面存在大量沿轴心放射的定向微米级鳞片，而且每一个鳞片上又排列着整齐的纳米条带，其中每个纳米条带由定向倾斜的周期性片层堆积而成。所以，水滴会沿着轴心放射方向滚动而在相反方向受到阻碍。蝴蝶在飞行过程中，可以通过调整翅膀煽动的姿势或者空气流过翅膀表面的方向来保证自身的稳定性（图3）。基于这样的特殊表面结构，科学家们通过光刻技术、倾角腐蚀成型法、斜电子束照射、纳米压印技术等成功实现了多维各向异性浸润材料的构筑，广泛用于微流体器件、生物芯片、流体减阻与定向运输等领域。
图3 水稻叶片和蝴蝶翅膀的表面微观结构（图片来源于网络和文献2）
“如胶似漆”的玫瑰花瓣效应
上述的各个例子中，无论是具有各向同性还是各向异性浸润性的表面，水滴都可以轻易滚动。但是自然界有着无限的魅力，诞生出无数具有特殊功能的精灵。玫瑰，集爱与美于一身，不仅是我们人类，甚至是水滴遇见了也久久不愿离去。玫瑰花瓣和许多超疏水表面一样，水滴在表面上呈现圆润的球状，但是水滴会牢牢黏附在花瓣表面。正是这些黏附的小水滴可以使得玫瑰保持着鲜丽柔润的外观，代表爱与美的永不枯萎。研究发现，这种超疏水高黏附的现象仍是由表面的特殊微观结构导致的。玫瑰花瓣表面覆盖着微米级乳突，但同时乳突尖端又存在很多纳米级的折叠结构，所以很容易使水滴镶嵌在花瓣表面而形成这种高黏附的状态（图4）。由于玫瑰花瓣效应在无损微量液滴运输、微流体技术中对流速和流量的控制、小体积液体样品分析等领域有着很大的研究价值，所以许多研究人员通过溶胶凝胶技术、自组装技术等多种方式成功制备出超疏水高黏附表面，实现了真正意义上的“如胶似漆”。
图4 玫瑰花瓣表面微观结构（图片来源于文献3）
2.2 “四两拨千斤”的仿蛛丝超强韧纤维材料
相信大家都知道蜘蛛侠这个超级英雄，勇敢坚强的蜘蛛侠在高楼林立的纽约市飞檐走壁，为保护人类而努力战斗。最让人印象深刻的，便是他那无所不能的“蛛丝”，而这实际上也是一种功能强大的仿生材料。
首先，来说说天然蛛丝，它是蜘蛛分泌的一种成分为天然蛋白的生物弹性体纤维。蛛丝是由一些被称为原纤的纤维束构成，而原纤又是厚度为纳米级的微原纤的集合体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。这里的蜘蛛丝蛋白则是由各种氨基酸（主要为甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸）组成的多肽链按一定方式组合而成。蜘蛛丝直径只有几个微米，比人的头发丝（100微米左右）还要细，但却能发挥“四两拨千斤”的作用，具有轻质、高强度、高韧性的力学性能及优良的生物相容性，在强度和弹性上都大大超过人造钢材和凯夫拉纤维，即使被拉伸10倍以上也不会发生断裂。此外，蛛丝还具有优异的吸收震动性能和耐低温性能，并且在自然环境中可降解无污染，是人类已知的世界上性能最优良的纤维材料。
科学家们通过对蛛丝的成分、结构和形成原理进行深入解析，提出多种合成技术用于制备仿蛛丝超强韧纤维材料。20世纪90年代美国投入了大量人力物力进行相应研究，并发现了氨基酸的含量与蛛丝强度的关系，将相应的仿生材料用于高级防弹衣的研制（图5）。此外，杜邦公司成功基于人造基因制备具有蛛丝特性的蛋白质，并利用类似于蜘蛛吐丝的纺织技术制成纤维用于航空航天领域。不久，加拿大魁北克的科学家将人工合成的蜘蛛蛋白基因植入山羊的乳腺细胞，成功研制出新一代的动物纤维，因其优异性能而被誉为“生物钢”。随着纳米科技的发展，多种类型的纳米材料用于仿蛛丝超强韧纤维材料的制备，比如一维碳纳米管、聚氨酯弹性体等。这种仿生材料在国防军事（防弹衣，坦克和飞机装甲）、航空航天（宇航服，降落伞）、建筑（桥梁，高层结构材料）和医疗保健（手术设备，人造肌腱）等多个领域有广阔发展前景。
图5 天然蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维材料（图片来源于网络）
2.3 “力争上游”的仿鲨鱼皮减阻材料
还记得《水浒传》中浪里白条张顺在水中穿梭自如的场景吗？你是否也想拥有这样的能力呢？这个重任还得落在仿生材料的肩上。
2000年悉尼奥运会游泳比赛中，伊恩•索普身穿“鲨鱼皮”游泳衣，犹如碧波中劈波斩浪的鲨鱼，并一举夺得3枚奥运金牌，自此“鲨鱼皮”泳衣名震泳界。“鲨鱼皮”游泳衣，也叫神奇游泳衣，可以极大地减小游泳时的阻力从而提高人们的游泳速度，让你也可以成为“浪里白条”。而这种游泳衣的材质并不是真的鲨鱼皮，它是因仿照鲨鱼皮的表面结构而得名。鲨鱼作为海洋的霸主，有着惊人的游速和减阻能力。这是由于鲨鱼体表覆盖着一层V型的盾鳞，这种独特的盾鳞具有顺着水流方向的凹槽，可以保存着一定的黏液并有效延迟或抑制湍流的发生，进而减小水体对鲨鱼游动产生的阻力（图6）。因此，人类将游泳衣的表面也做成了类似的结构，同时在接缝处模仿人类的肌腱，为人们向后划水提供动力，这种特殊的泳衣可以使人类的运动成绩提高7%。
其实人类在很久以前就已经利用鲨鱼皮从事各类生产活动，比如早期在希腊地区人们将鲨鱼皮当作砂纸来打磨树木的表面，早期的波斯人也将鲨鱼皮用于武器的制作。但是直到19世纪末，关于鲨鱼皮表面盾鳞的结构才有较为系统的研究，其减阻的性能也是较晚被人们发现。鲨鱼皮作为减阻仿生学的重要研究对象，其在游泳衣上的应用只是很小的一个方面。除了上述的减阻效果，鲨鱼皮还有一个独特的性能就是表面不会被油污或者微生物污染。众所周知，船在水中航行较长时间后，其表面会黏附一层难以除去的微生物，这层微生物不仅会大大降低船的航行速度，还会增加燃油的消耗，而仿生鲨鱼皮制成的防污垢表面可以有效解决这个问题。在航空航海领域中，仿鲨鱼皮减阻材料可以显著减少燃油消耗、提高航速并延长航时和航程。譬如应用这种仿鲨鱼皮减阻材料的A340-300长途客机，每次飞行节省的燃油费可以增加6%的营业额，同时带来非常可观的环境效益。如今随着3D打印技术的高速发展，仿鲨鱼皮减阻材料的制备更加便捷省时，正如“滔滔江水任君游，一路迎风搏激流”，仿鲨鱼皮减阻材料在多个研究领域发挥着青春的活力。
图6 鲨鱼皮肤表面微观机构（图片来源于网络）
三、日久弥新的仿生大家庭
神秘的自然界为人类的创新提供了天然的宝库，应运而生的仿生学综合了多门学科，从天然生物独特的结构与性能出发，制备出优于传统材料的新型仿生材料，其种类和数量不胜枚举，以上介绍的只是仿生大家庭的冰山一角。
近年来，仿生材料的研究无论在结构材料方面，还是功能材料方面，均取得了令人瞩目的成就，这极大地支撑和推动了高新技术的发展。仿生材料已经从微米/纳米水平进入到分子水平，其快速发展为人体器官的替换带来了革命性技术，实现了对生物体系统的人为改良，此外功能材料的制备与应用也因此得到了里程碑式的进步，比如在常温常压的条件下就可以制备出曾经需要高温高压才能合成的产品。如今，仿生材料，从宏观到微观，从结构到性能，正向着复合化、智能化、微型化、环境化和能动化的方向发展。自然界中有着上千上万种生物，而人类目前能仿生的仅是其中的很少一部分，相信随着人类认识的加深和科技的进步，未来会有更多的新型仿生材料问世。
参考文献
[1] 江雷，冯琳. 仿生智能纳米界面材料[M]. 化学工业出版社，2007.
[2] L. Feng,S. Li, Y. Li, H. Li, L. Zhang, J. Zhai, Y. Song, B. Liu, L. Jiang and D. Zhu, Adv. Mater., 2002, 14, 1857-1860.
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[4] R. V.Lewis, Chem. Rev., 2006, 106, 3762-3774.
[5] 韩鑫, 张德远, 李翔, 李元月. 大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究[J]. 科学通报, 2008, 53(7): 838-842.
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
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当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料
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