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仿生设计:沟通生物与新材料的桥梁

撰文 | 谢歆雯、黄立志、陈松月、侯旭(厦门大学)
 
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自然界为新材料的研发带来了很多设计灵感,效仿仅仅是第一步,仿生材料从实验阶段进入实际应用更为重要的一步是超越自然。
 
仿生这一思想早已出现并应用于人类的生产生活,例如骨针(模仿鱼刺)、锯子(模仿带齿草叶)、车轮(模仿蓬草的飞转状态)等。经过长期的演化和自然选择,生物系统通过优化其组织结构及界面性质等方法,最终进化出了能够响应外界刺激、适应环境变化的优异性能。现代化表征及制备合成技术的高速发展推动了人类对这些优异生物特性的深入认知,得益于此,自然宏观现象背后的微观作用机制为新材料的研发带来了更多的设计灵感。
 
仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学,仿生材料学受生物结构和功能的启发,通过研究生物体宏观、微观多尺度结构与其特性之间的相关性,设计合成具有该特性的物质和结构,最终得到具备特定功能的新材料。自然界的生物体给人类带来了无尽的设计灵感,其中包括了仿生材料领域的诸多研究热点,例如仿生定向输运材料、仿生超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生轻质高强度材料、仿生智能薄膜材料等。
 
仿生定向输运材料
 
某些生物体,如仙人掌、蜘蛛、纳米布甲虫,可在干旱的环境中生存。研究发现,这些生物体具备从稀薄的空气中收集水的特殊本领,深入探究这些生物的集水方式,将为全球范围的缺水问题带来潜在的解决方案。
 
生活在墨西哥奇瓦瓦沙漠的一种黄毛仙人掌,它的掌刺尖端长有取向倒钩,该结构确保液滴只能向尖端根部运动。仙人掌中部的梯度凹槽是一种不对称结构,该不对称结构产生的表面张力梯度使得液滴能够沿着掌刺运动到达尖端根部,而掌刺底部呈带状分布的绒毛能够很好地收集水分。模仿仙人掌掌刺微观结构的集水机制,可以获得更大的集水表面,从而使材料的集水能力大大提高。
 
 
人们在观察蜘蛛丝时发现蜘蛛丝本身是疏水的,蜘蛛丝表面周期性地分布有纺锤状结点。结点两侧拉普拉斯压力的不同会产生压力差,使得水滴不断在蜘蛛丝上聚集,并向结点移动。模仿蜘蛛丝的结构,用聚偏二氟乙烯纺锤结制备的仿蜘蛛丝纤维材料,以纺锤结作为冷凝点和收集点,可以收集较大的水滴,并将其运送到指定位置,具有很强的集水能力。中国科学院江雷院士团队使用纤维素人造纤维模仿蜘蛛丝结构,并通过改变纤维表面的粗糙度和曲率来调节纤维上毛细管的黏附性,进一步提高了仿蜘蛛丝纤维的集水能力。
 
非洲纳米布沙漠中有一种甲虫,其翅膀上有一种超亲水纹理和超疏水凹槽,可从风中吸取水蒸气。当亲水区的水珠越聚越多时,这些水珠就会沿着甲虫的弓形后背滚入其嘴中。受该甲虫的启发,人们构建了大量的亲水疏水图案化表面,以此实现集水功能的应用。
 
 
此外,近期对猪笼草的研究发现,猪笼草口缘区液体能够实现持续定向的运输,其口缘表面的多级沟槽结构能够加强并且优化这种定向的液体运输,并防止其回流。这就能让水像长着脚似的,在猪笼草的口缘区实现连续的多级输运。研究人员模拟了猪笼草口缘区的表面结构,使用压印成型法成功复制了猪笼草口缘区的作用机制。这种无外部动力的液体输运方式,对于开发设计新型定向流体输运系统具有很好的指导意义,在农业滴灌、无动力的微药物传输、自润滑防粘设计等众多领域具有广阔的应用前景。
 
仿生超疏水材料
 
目前,仿生超疏水自清洁表面被应用于社会生产的各个领域,包括太阳能、防雾抗冻、水油分离、自洁表面和智能设备等。
 
 
自然界给我们提供了诸多的学习榜样——荷叶、水稻叶、蝴蝶翅膀、水黾腿以及蚊子的复眼等,它们都具有特殊的表面润湿性。荷叶表面的结构使得水滴不仅不能稳定黏附在荷叶表面,而且会自发地反弹或滚落,水滴滚落的过程中会带走叶子或花瓣上的污垢颗粒,该属性称为“莲花效应”或“自洁效应”;水稻叶表面具有一维的、依次排列的莲花样微乳突,该结构能够产生超疏水性;蝴蝶翅膀具有定向黏附、超疏水自洁功能;水黾腿呈螺旋形状定向分布的微胶囊赋予它出色的超疏水性;蚊子的复眼具有超疏水、防雾和抗反射功能。
 
这些生物特定表面的超疏水特性引起了科学界的广泛关注和工业界的大量应用。
 
仿生高黏附材料
 
玫瑰花瓣表面可以防止水滴滚动并使水滴在花瓣上保持球状,即使花瓣翻转,这种球形形状依旧不变。壁虎、蜥蜴的脚趾垫由数以百万计的铲形结构、丝状组织组成,数百万个铲型结构与黏附表面之间的范德华力相互作用足以让壁虎安稳地黏附在作用表面。以硅片为基底生长碳纳米管阵列并将其覆盖到聚合物表面所制得仿壁虎脚的高黏附材料,具有高于壁虎脚掌的黏附强度。
 
近日,韩国成均馆大学方昌玄(Changhyun Pang)教授等人在研究章鱼腕足吸盘微观结构时发现,该结构顶端开孔,底部具有球状突起,这种结构使章鱼在水下依然可以牢牢抓紧猎物。受此启发他们制备了一种具有超强黏附特性的“吸盘贴”。该吸盘在多种外界环境如干燥、潮湿、水下甚至油相环境下都具有优异的黏附性,能够多次循环使用,并且不会给材料表面造成任何污染。
 
仿生轻质高强度材料
 
轻质(低密度)高强材料在建筑、航空航天、国防等领域都有重大的战略需求。生物在兼具强度和韧性方面提供了很好的天然模板。
 
人们发现蜘蛛丝除了集水功能外,还有与蚕丝接近的密度,而其强度和弹性都大大超过钢材,即使拉伸10倍以上也不会断裂,比钢还要坚韧。贝壳表面也十分坚硬,尤其是一种鲍鱼壳,它表面由碳酸钙和壳聚糖两种成分规律性堆积而成,这两种成分的组合使鲍鱼壳表面兼具陶瓷硬质及高分子柔韧的性质。该结构是极好的轻质高强度材料的模板。
 
 
近年来,科学家利用这种原理开发了很多高分子—陶瓷复合低密度材料,使用石墨烯代替贝壳中的碳酸钙成分而得到的高分子—片状石墨烯复合材料,其密度很低却具有很好的力学性能。
 
自然界动物体和植物体中普遍含有多通道的超细管状结构。例如,许多植物的茎、鸟类羽毛微观结构都是中空的多通道微米管道。这种多通道微米管道结构能够提供足够的强度,并且具有减轻整体结构质量以及提供物质输送通道等功能,有些生物皮毛中的中空管道还具有保温功能。采用电纺技术仿生制备的空心纳米纤维,材质轻且具有一定的机械强度。
 
仿生智能薄膜材料
 
生物体内的各项生命活动都需要膜的参与。科学家在研究膜中纳米孔道对电解质离子的运输这一过程中发现了单向导通的离子整流特性和离子选择性,这一效应可以实现对离子浓度和其运动状态的控制:受到外界刺激后离子通道能够快速感知识别并应激处理,外部刺激消除后离子通道又能快速恢复原状态。例如,电鳗在离子通道的作用下能瞬间应激产生高达600伏的电压来掠食或逃生,模仿电鳗的离子通道发电机制甚至可以实现发电功能。
 
植物体中的微观气孔和木质部通过孔道中液体的动态配置来控制植物体空气、水和微生物交换,并保持一定的自洁能力。生物体中核膜上排列着无序的、具有类似于流体性质的蛋白质,这些蛋白质不仅可以调节各种各样的物质的差异运输,而且可以完全防止结垢。肺中气囊之间的微孔充满了液体,这些液体可以在孔内可逆地重新配置以响应压力梯度,起到智能控制气体进出的功能。这些特殊生物性质应用于薄膜材料研究领域,为仿生设计新型智能多孔膜材料带来了新的灵感。笔者课题组在该领域开展了仿生纳米/微米孔道设计与制备的系列工作。
 
在纳米孔道方面,研究人员将一种或多种功能分子对称/非对称修饰到孔道内,开发了协同多响应的仿生智能纳米孔道系统;在微米孔道方面,一种基于微孔薄膜材料的仿生液体门控新机制,能够进行动态调控,实现气—液以及气—水—油多相混合物分离。液体门控系统中多孔膜材料在分离输运物质的同时,其本身具有优异的抗污染性能,这种门控机制将在油水分离、污水处理、混合物除气、生物传感器等方面展现出重要的应用前景。 
 
前景展望
 
融合了材料科学、物理化学、工程学、生物学等诸多学科的新型多功能仿生材料,由于其性能独特、应用前景广阔,正引起越来越多的关注。除了上述介绍的具有代表性的仿生材料以外,还有许多其他仿生材料也在迅速发展。例如,模仿飞蛾眼睛结构,制备防反光材料;模仿蜂巢结构,制备隔热材料;模仿蜘蛛丝或蚕丝结构,进而制备人造纤维;模仿电鳗及萤火虫等生物体内的发光机制,制备能量转换和能量储存材料等。
 
自然界带给我们无限的材料学、物理化学等多学科的研究灵感,这些灵感不仅能够启发我们更好地设计制备新材料,还能将其应用于开发微/纳米智能器件,如发展仿生微流控技术以及仿生纳米孔道系统的研究。这些新兴的研究方向和方法将促进生物技术、食品工业、膜科学以及传感器等领域的突破性发展,为环境、能源、生物医学等应用领域提供有利的工具,带来新的机遇。效仿自然仅仅是第一步,仿生材料从实验阶段进入实际应用领域最终实现超越自然,这是我们科研工作者努力奋斗的目标。相信未来的10年中,仿生智能材料将会在传感器、药物缓释、微流控、4D打印、水处理等诸多领域发挥至关重要的推动作用。
 
注:本文来自《张江科技评论》杂志,经授权转发。《张江科技评论》为上海科学技术出版社旗下期刊,关注生物医药、新能源、新材料、互联网产业等领域。
 
关于作者
侯旭,厦门大学生物仿生及软物质研究院、化学工学院、物理科学与技术学院、能源材料化学协同中心、固体表面物理化学国家重点实验室、福建省柔性功能材料重点实验室教授,博士生导师,入选2016年第12批青年“千人计划”,2014年7月入选美国化学会SciFinder化学领域未来领袖,目前担任中国旅美科技协会大波士顿分会理事。
谢歆雯,厦门大学物理科学与技术学院研究生。
黄立志,厦门大学物理科学与技术学院博士后。
陈松月,厦门大学航空航天学院副教授,硕士生导师,主要研究方向为微纳生物传感器、微流控芯片。
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