造化無窮，道法自然。聰明的人類從中學到了很多，眾多的發明創造都是源于大自然的啟示。自上世紀60年代仿生學誕生以來，仿生材料學就成為一個重要的研究領域，從大自然中獲得啟示是仿生材料學的重要研究課題。
下面，我們來看看，大自然如何給我們啟發？
1. 潛水鐘蜘蛛的啟示—仿生疏水促進CO2在Cu表面的還原 | Nature Materials
潛水鐘蜘蛛是唯一一種畢生都在水下生活的蜘蛛，它靠建造自己的潛水鐘在水下進行呼吸。首先它在水里的植物之間織一個圓頂狀的網，然后升到水面，用腿上和腹部細毛的獨特生理結構捕捉一些氣泡，再將這些氣泡帶到蛛網下放開，如此反復幾次后就能做成足夠大的氣泡，讓自己呆在里面至少一天，而不需要補充氧氣。（百度百科）
基于潛水鐘蜘蛛捕氣表皮結構的啟發，瑞士聯邦理工學院Victor Mougel?和法蘭西公學院Marc Fontecave團隊也在催化劑表面構建了這樣可捕獲氣體的疏水表面，并用于電催化CO2還原。研究者采用十八烷硫醇修飾樹突狀Cu電極，將CO2氣體分子捕獲在電解質與電極界面之間，形成三相界面。經過修飾后的Cu電極形成的超疏水界面，可有效的捕獲CO2分子，提高在催化劑表面的反應物濃度，從而提高了反應的選擇性。同時該表面可有效抑制競爭反應（HER），協同增強反應活性，CO2還原反應的法拉第效率高達86%，C2產物的法拉第效率為74%。
DavidWakerley, Marc Fontecave, Victor Mougel et al, Bio-inspired hydrophobicity promotesCO2 reduction on a Cu surface, Nature Materials, 2019
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0445-x
2. 水母的啟示—自修復電子皮膚 | Nature Electronics
水母早在六億五千萬年前就存在了，它們的出現甚至比恐龍還早，是水生環境中非常漂亮的、且重要的浮游生物。它的身體外形就像一把透明傘，傘狀體邊緣長有一些須狀的觸手。水母身體的主要成分是水，并由內外兩胚層所組成，兩層間有一個很厚的中膠層，不但透明，而且有漂浮作用。它們在運動時，利用體內噴水反射前進，遠遠望去，就像一頂頂圓傘在水中迅速漂游。作為一種凝膠狀的水下無脊椎動物，除了它謎之發光之外，令科學家著迷的是它生有透明、可伸縮、觸覺靈敏且能夠自修復的器官，這些器官使水母能夠在水生環境中自由游動和自我偽裝并且存活。
（圖片來源：百度百科）
基于水母自愈能力的啟發，清華大學Chao Wang和新加坡國立大學BenjaminC.-K. Tee團隊報道了一種導電的仿生皮膚材料，這種電子皮膚透明且可伸縮，對觸摸靈敏，該材料由碳氟彈性體和富含氟的離子液體組成，具有可調節至10-3 S cm-1的離子電導率，并可承受高達2,000％的應變力。由于離子偶極相互作用，該材料在潮濕，酸性和堿性環境中具有快速且可重復的類似水母的機電自修復能力。為了說明該方法的潛在應用，研究者采用電子皮膚來創建觸摸，壓力和應變傳感器，還可以印刷成柔軟且柔韌的離子電路板，可用于開發諸如水上軟機器人和防水人機界面之類的應用。
Self-healingelectronic skins for aquatic environments. Nature Electronics, 2019
DOI:10.1038/s41928-019-0206-5
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0206-5
3. 海葵的啟示—智能化納米絮凝劑凈化水質 | Nature Nanotechnology
海葵是一種長在水中的食肉動物，它沒有中樞信息處理機構，也就是說它連最低級的大腦基礎也不具備。雖然海葵看上去很像無害的花朵，但其實是很積極的捕獵者，它的幾十條觸手上都有一種特殊的刺細胞，能釋放毒素，通常它用帶刺的觸手捕捉魚和小的無脊椎動物。（百度百科）
（圖片來源：百度百科）
北京大學趙華章與耶魯大學Menachem Elimelech團隊通過模仿海葵的身體構造和捕食特征，制備了智能化仿海葵納米絮凝劑。該絮凝劑在使用前呈核殼膠束結構存在于水中，解決了多數絮凝劑在儲運過程中易失穩的難題。尤為重要的是，在使用時由于濃度和pH變化，絮凝劑會發生類似海葵捕食的構型反轉：由鋁硅復合物組成的“殼”會水解相變，去除懸浮物和膠體；由有機官能團組成的“核”外翻并環繞固定于“殼”上，象海葵的觸手捕捉水中小分子，誘發小分子形成了凝聚核進而形成絮體去除。通過上述智能過程，新型絮凝劑可實現一步去除懸浮物、膠體和溶解性污染物，簡化深度處理工藝，實現水資源高效利用。
JinweiLiu, Menachem Elimelech, Huazhang Zhao et al.Actinia-like multifunctionalnanocoagulant for single-step removal of water contaminants. NatureNanotechnology, 2018.
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0307-8
4. 細菌的啟示—吩嗪類電解液用于水性有機氧化還原液流電池| Nature Energy
產甲烷古菌是一群迄今為止所知的最嚴格厭氧的、能形成甲烷的化能自養或化能異養的古菌群。互營細菌和產甲烷菌兩大類微生物在協同合作下實現了目前約70%的大氣甲烷排放，這種合作不僅僅是食物鏈上的簡單依附關系，形成的互營關系能夠克服有機質厭氧分解反應的熱力學能壘，實現短鏈脂肪酸和醇類物質的互營氧化產甲烷過程。那么它是如何實現電子傳遞的？科學家經不懈求知，發現產甲烷菌自身所分泌的吩嗪類色素等氧化還原電子穿梭體是實現電子傳遞的一大途徑。
（圖片來源：百度百科）
受此啟發，美國西北太平洋國家實驗室Xiaoliang Wei和Wei Wang團隊通過NMR、DFT虛擬篩選以及有機合成等方法，以幾乎不溶于水的雜環吩嗪材料為對象合成了仿生的改性吩嗪材料，將其作為水性有機液流電池的負極電解液，其溶解度增加到1.8 M（電子摩爾濃度2.8M），氧化還原電位位移超過400 mV，由于其具有高水溶性和高穩定性，使得可逆容量史無前例地達到理論容量的90%。在接近其飽和濃度的條件下，可逆容量達到67 Ah l-1（1.4 V），循環500次后容量保持率為99.98%。這項研究提供了新的水溶性有機分子，將水溶性液流電池的容量推到了極限，為開發更大容量的實用性液流電池提供了借鑒。
Aaron Hollas, Xiaoliang Wei,Wei Wang et al. A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueousorganic redox flow batteries. Nature Energy 2018, 3, 508–514.
DOI: 10.1038/s41560-018-0167-3
https://www.nature.xilesou.top/articles/s41560-018-0167-3/
5. 植物葉片的啟示—光驅動凈水生產 | Nat. Commun.
天然植物每天要從土壤中運輸大量的水，這取決于由陽光驅動的專用韌皮部網絡。半透性等離子孔的多孔界面中糖和離子的負載會降低水的化學勢，從而可以連續吸水，葉子上的氣孔在白天蒸騰并在夜間滲水。植物葉片將清潔水從地下輸送到成熟葉片的機制是蒸騰作用和呼吸作用的協同作用，可以持續產生清潔水。
（圖片來源：百度）
受此啟發，清華大學曲良體, Tianbao Ma 和 Chun Li團隊報道了一種用于高效水凈化和生產的陽光驅動凈化器。其特征在于負溫度響應聚（N-異丙基丙烯酰胺）水凝膠（PN）錨定在超親水三聚氰胺泡沫骨架上，并且一層PNIPAm改性石墨烯（PG）濾膜涂在其表面。結果表明，相對剛性的三聚氰胺骨架的超親水性顯著加速了PNPG-F凈化器的膨脹/消溶脹速率。在一個太陽下，這種合理的工程結構提供了4.2 kg m-2 h-1的收集，并且從鹽水進料中獲得單個PNPG-F的離子排斥率>99％。
Geng, H.;Xu, Q.; Wu, M.; Ma, H.; Zhang, P.; Gao, T.; Qu, L.; Ma, T.; Li, C. Nat. Commun.2019.
DOI:10.1038/s41467-019-09535-w
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09535-w
6. 瓶子草的奧秘—超快速水捕獲和運輸| Nature Materials
在自然界中，有很多神奇的材料天然就具有微納米結構，能夠允許水的定向運輸和捕獲。比如，蜘蛛絲具有紡錘節結構，能夠從潮濕的空氣中收集水滴；仙人掌表面具有梯度的溝槽結構，能夠高效集水，因此能夠在沙漠中生存。
陳華偉和江雷院士團隊發現在瓶子草毛狀體的表面，水的運輸速度比在仙人掌脊柱和蜘蛛絲上的速度快三個數量級左右，這種優異的性能來源于瓶子草毛狀體獨特的多級次微通道結構。研究表明，具有兩種不同高度類型的肋條規則地分布在毛狀體錐體周圍，其中兩個相鄰的高肋形成了包含1-5個低肋的大通道，低肋限定較小的基通道，導致產生了兩種連續但不同的水輸送模式。建模和實驗測試表明，這種受生物啟發的多級次微通道中的超快速水輸送機制有望在微流體應用中發揮巨大的潛力。
Ultrafastwater harvesting and transport in hierarchical microchannels, Nature Materials,2018.
DOI:10.1038/s41563-018-0171-9
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0171-9
自然為我們帶來的饋贈遠不止此，隨著研究人員對仿生的不懈努力，越來越多的仿生材料會不斷出現，這些材料能夠推動未來科技和工業領域的發展，我們也同樣期待著，更深刻的啟示和發現帶來更有價值的研究成果。
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