自古以來，人類和大自然是互利共生、不可分割的。隨著人類社會的不斷發(fā)展，自然界的各種神奇現(xiàn)象也為先進材料的設(shè)計制備提供的了無限的靈感：生物的骨骼構(gòu)造比鋼鐵強硬，啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼，蜘蛛絲有數(shù)倍鋼鐵的硬度與延展性，蓮花效應(yīng)有絕佳的抗污性和疏水性……從自然界中學(xué)習(xí)經(jīng)驗自然也成為科技發(fā)展的重要推動力，如今已經(jīng)極大地促進了納米、仿生學(xué)、光學(xué)、催化等領(lǐng)域的發(fā)展。
1.超疏水材料
“江南可采蓮，蓮葉何田田”，出淤泥而不染的荷葉是天然的不沾水“大師”。20世紀70年代，波恩大學(xué)的植物學(xué)家巴特洛特在研究植物葉子表面時發(fā)現(xiàn)，蓮葉表面的特殊結(jié)構(gòu)有自我清潔功能。蓮花出污泥而不染，自古以來就被人們認為是純潔的象征，所以這一自我清潔功能又被稱為“蓮花效應(yīng)”。
荷葉及其SEM圖像
除了荷葉，自然界中還有很多植物和動物具有超疏水現(xiàn)象，如水稻葉片、蝴蝶的翅膀、玫瑰花瓣等。
水稻葉片、蝴蝶翅膀、玫瑰花瓣的SEM圖像
這些豐富多彩的表面現(xiàn)象為研究超疏水材料奠定了基礎(chǔ)。目前，超疏水材料材料在自清潔、防腐蝕、防霧、油水分離、綠色印刷等眾多領(lǐng)域有著極具潛力的應(yīng)用前景。
氟碳型超疏水納米涂料使用效果
氟碳型超疏水納米涂料的表面張力極低（<10 mN/m），經(jīng)過這種材料處理過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結(jié)成共價鍵，附著性強，可以廣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難以附著，含油的污液或者油墨（包括涂鴉，不干膠等）也難以附著。
Threadsmiths發(fā)明的超疏水T恤
2014年，墨爾本的服裝技術(shù)公司Threadsmiths發(fā)明了一種仿荷葉超疏水的T恤。這種T恤可以經(jīng)過80次以上的洗滌并且保持超疏水的性質(zhì)。他們利用納米技術(shù)對棉纖維進行重新編織使其具有防水性能。
2.細胞膜涂層納米材料
細胞是生物體最基本的構(gòu)成單元之一，能夠在復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境中攜帶各種物質(zhì)。因此受到仿生學(xué)研究的啟發(fā)，以納米顆粒為核表面包覆一層細胞膜的新型仿生納米顆粒近年來開始受到研究人員越來越多的關(guān)注。
動物細胞、植物細胞亞顯微結(jié)構(gòu)對比圖
各式細胞膜涂層納米顆粒
2011年，加州大學(xué)圣地亞哥分校的張良方教授團隊首次報道了細胞膜涂層技術(shù)（cell membrane coating）。在這項研究中，張良方教授及其研究團隊采用了載有免疫佐劑的癌細胞膜包裹的納米粒，通過一系列體外體內(nèi)實驗證實了其在腫瘤預(yù)防和腫瘤治療的顯著效果。
載有免疫佐劑的癌細胞膜包裹的納米粒預(yù)防和治療腫瘤
此項研究驗證了癌細胞細胞膜包裹的納米疫苗可以有效地在體內(nèi)誘導(dǎo)抗腫瘤免疫反應(yīng)。癌細胞膜為納米顆粒提供了更真實的仿生表面，凸顯出此技術(shù)平臺的獨特優(yōu)勢。同時，結(jié)合免疫調(diào)節(jié)分子的制劑可以更高效地誘導(dǎo)抗癌免疫應(yīng)答，并充分發(fā)揮納米技術(shù)的優(yōu)勢。可以預(yù)見的是，這項技術(shù)可以利用病人自身的腫瘤細胞膜為原材料來進行癌癥疫苗的開發(fā)，用于癌癥復(fù)發(fā)的預(yù)防，從而更好地服務(wù)于個體醫(yī)療。
3.人工合成珍珠母
貝殼珍珠層（nacre），又稱珍珠母（mother of pearl），通常能在軟體動物貝殼的內(nèi)表面找到，是軟體動物分泌出來保護自己的物質(zhì)，與珍珠的形成密切相關(guān)。貝殼的珍珠層不但色彩絢麗，力學(xué)性能也極好，近年來，模擬貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料逐漸受到材料學(xué)界的廣泛重視。
貝殼珍珠層中的95%都是碳酸鈣，剩下5%是有機物，其高度有序的“磚-泥”（brick-and-mortar）微觀結(jié)構(gòu)使得珍珠層同時具有出色的強度和韌性，這給科學(xué)家們帶來了設(shè)計“未來結(jié)構(gòu)材料”的靈感。
模擬生物礦化過程合成人工珍珠母的步驟
(A)殼聚糖溶液;(B)取向凍干法制備層狀結(jié)構(gòu)殼聚糖框架;(C)乙�；蟮玫綆锥≠|(zhì)框架;
(D)流動礦化法生長碳酸鈣晶體;(E)蠶絲蛋白浸漬及熱壓。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授課題組首次報道了一種全新的仿生策略，通過介觀尺度的“組裝與礦化”，在預(yù)先制備的層狀有機框架上進行礦化生長，模擬軟體動物體內(nèi)珍珠層的生長方式和控制過程，成功制備了毫米級厚度的珍珠層結(jié)構(gòu)塊狀材料。所得人工材料的化學(xué)組成和多級有序結(jié)構(gòu)與天然珍珠層高度相似，極限強度和斷裂韌性也可與其相提并論。
4.仿生石墨烯氣凝膠
再力花也稱水竹芋、水蓮蕉，是一種觀賞性水生植物，再力花的莖干通常有2米高，僅6-10毫米厚，具有足夠的強度和彈性，能讓植株在頻繁刮風(fēng)的環(huán)境中生存。研究人員發(fā)現(xiàn)，再力花莖干中具有3D層層互連結(jié)構(gòu)。
再力花
浙江大學(xué)的謝濤教授等研究人員受輕質(zhì)、高強度、高彈性的再力花莖干的啟發(fā)，模仿其3D層層互連結(jié)構(gòu)，采用雙向冷凍技術(shù)以冰為模板將氧化石墨烯組裝成類似結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過冷凍干燥和熱還原得到了具有高度有序3D結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠。這種仿生石墨烯氣凝膠同時具有高強度和高回彈能力。
再力花莖干結(jié)構(gòu)與仿生結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠
研究人員采用雙向冷凍技術(shù)，首先使冰晶成核，再使其沿垂直和水平兩個方向的溫度梯度進行生長，氧化石墨烯片層在兩個方向上平行組裝，形成類似再力花莖干的3D微結(jié)構(gòu)，隨后經(jīng)過冷凍干燥和熱還原得到仿生石墨烯氣凝膠。
仿生石墨烯氣凝膠同時具有高強度與高彈性
研究人員對其強度與彈性進行了測試，發(fā)現(xiàn)它能承受超過其自身重量6000倍的壓力，盡管會被壓縮到原大小的一半，但外力一旦消失這種石墨烯氣凝膠就能完全恢復(fù)原狀。在壓縮1000次以上之后，它仍能保持初始強度的85%。
5.仿壁虎趾材料
壁虎腳掌上長有無數(shù)毛狀物體，每根毛上又擁有上千根極細的納米級絨毛。這些數(shù)量眾多的絨毛在任何地形都可以保證足夠的接觸面積，靠著范德華力抓住墻壁（范德華力是一種分子與分子間的弱相互作用力，同種物質(zhì)分子間與不同物質(zhì)的分子間都存在范德華力）。
壁虎腳趾的微觀結(jié)構(gòu)
根據(jù)這個原理，科學(xué)家設(shè)計了下面的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的表觀接觸面積雖然減少了，但是實際接觸面積卻大大增加，因此表現(xiàn)出很強的吸附能力。
由聚亞氨酯（彈性模量為3MPa）制成的仿壁虎趾結(jié)構(gòu)
壁虎的腳趾除了有很強的吸附能力外，還具有很強的自清潔能力，當有塵埃吸附在它上面時，只需走幾步就能將80%的顆粒去除。根據(jù)這個原理我們還可以做出另外的東西—顯微操縱器，簡單來說，就是可以操縱微小粒子的儀器。
由聚酯纖維加上褶皺石墨烯制成的顯微操縱器
6.彩色碳纖維織物
結(jié)構(gòu)色是由于自然界中一系列因特殊光學(xué)尺度的微觀結(jié)構(gòu)對可見光進行選擇性反射、色散、散射、干涉、衍射和透射等物理作用而產(chǎn)生的五彩繽紛的生物色彩。結(jié)構(gòu)色所具有的無污染、不褪色、高飽和亮度、無虹彩效應(yīng)的顯色機理也使其具有其他染色技術(shù)所無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。這為碳纖維的生態(tài)著色提供了新的思路。
大自然中的結(jié)構(gòu)色
湖北大學(xué)王世敏教授和武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林教授等指導(dǎo)的研究團隊研究出一種有效、易操作的碳纖維織物著色方法，不僅顏色可調(diào)，還具有優(yōu)良的耐洗滌性能。
該研究主要從仿生結(jié)構(gòu)生色的思路出發(fā)，采用ALD（原子層沉積）技術(shù)在碳纖維/織物表面構(gòu)建尺度各異的非晶TiO2薄膜，實現(xiàn)了碳纖維及其織物的著色。
彩色碳纖維的形成機制及其實際效果圖
通過控制非晶TiO2薄膜的厚度，該研究實現(xiàn)了三原色紅、黃、藍的成功制備，并能通過三原色的復(fù)合，即改變碳纖維織物表面ALD TiO2的厚度，獲得其他各種不同的顏色。且所形成的TiO2薄膜耐洗滌性能優(yōu)良，可經(jīng)受50次的洗滌。這一成果為實現(xiàn)碳纖維及其織物的生態(tài)著色指明了方向。
7.人工光合作用
光合作用是地球上最重要、規(guī)模最大的化學(xué)反應(yīng)，光合作用是自然界光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的典范。在許多科學(xué)家的眼中，樹葉是利用太陽能的“高手”。如果能人工造出“樹葉”，能源問題或許就能得到根本性解決。
人工樹葉
美國科學(xué)家丹尼爾·諾切拉在第241屆美國化學(xué)學(xué)會的年會上宣布了其研究小組的最新進展一種廉價高效的“人工樹葉”。他在報告中說：“將一加侖水和人造樹葉放置在陽光下，可以提供發(fā)展中國家一個家庭一天的基本用電�！�
人工光合作用反應(yīng)過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計
“人工樹葉”通過一種化學(xué)催化材料，利用鎳和鈷，在陽光照耀下進行“半光合作用”，將水在一定的電壓下高效地電解為氧氣，同時產(chǎn)生質(zhì)子和電子；產(chǎn)生的質(zhì)子與電子可以結(jié)合，生成氫氣，提供一種清潔的能源。
圖片來源：上海硅酸鹽研究所
比起硅光電池板，這種“人工樹葉”顯然更便宜�？梢詷酚^地認為，將來人工樹葉的光合效率將更高。
文中圖片均來源于網(wǎng)絡(luò)
