天然纳米材料——我们是否该向大自然学习?

欢迎阅读MaterialsViews.com特邀专栏科学家为大家带来有关材料科学的独家观点。在当今纳米科学研究领域,多伦多大学的Geoffrey Ozin教授将会定期在MaterialsViews.com上探讨萦绕在研究人员头脑中的科学问题。阅读更多Ozin教授撰写的文章欢迎访问:http://www.materialsviews.com/category/opinion/.

“自然先人一步”、“只要存在,就可以被合成”以及“受自然启发”是仿生学领域中的三条箴言。

图1 人造贝壳

英文中仿生学这个词(biomimetics)由两部分组成,前一半bio源于古希腊语中的bios,意为生命,后一半mimetic意为有模仿能力的。自从二十世纪五十年代这一概念被提出以来,仿生学便成为一个蓬勃发展的领域。如今,仿生学的范畴包含利用生物体在结构、材质、功能及作用上对人类的启示来设计、合成或仿制新型材料及新型机械。

仿生学中从生物体上得到的启迪源自于人类对大自然鬼斧神工背后的化学、物理以及生物原理的不懈探索。漫长的进化过程总会筛选出最适合环境的材料、最高效的过程以及那些最佳性能的工具和系统,而自然界中的这些生物能够存活于今天,正是他们在进化过程中日臻完善并使自己达到最优的证明。

对遨游于仿生学领域的科学家来说,他们的目标便是竭力探寻并揭露自然界在处理材料问题上的奥秘,并由此指引新材料技术的发展方向。

一部分人认为,人类即使不从大自然汲取知识或启发,所有这些仿生学材料也都可以被发明和创造出来。而另一部分持反对态度的人则认为,如果不向大自然学习,即便人类最终也会发明这些材料,但必定会花费长得多的时间。这一争论历时已久,它促使政府、产业科学家、决策者以及投资商对相关领域研究的持续关注和扶持。目前,纳米化学已经通过试图理解生物体如何形成各种形态而获益颇多,并从琳琅满目的生物体的起因、生长和成型过程中汲取到材料设计的灵感,这其中包括坚硬的贝类硬壳、绚丽的蝴蝶翅膀、甲虫的角质层、多孔硅藻、放射虫、棘皮动物的微骨骼结构,海绵和荨麻的骨针和体刺结构、吸附力极强的壁虎的脚、具有自我清洁功能的荷花的叶子、骨骼和树干的多层结构等等。

对自然界中各种形态细致入微的理解又催生了“形态合成”这一领域,其旨在借助自下而上的诸如自组装、共组装、定向组装、形态组装、多级组装等自构机制,来制备新一代的纳米材料,调控纳米材料的表面、组分和孔结构,以及构造纳米发动机和纳米机器。

图2 化学能驱动的纳米棒在移动速度上高于靠鞭毛驱动的细菌

从不同层次的尺度(包括纳米尺度和微米尺度)去理解自然界中的天然材料,则又孕育了新的科学和工程学,这些学科致力于去理解诸如此类现象:有机分子做为模板诱导无机纳米材料的成核和生长、纳米晶的定向生长、有机-无机两相界面上的晶体外延及表面工程、周期性微纳结构的形成过程、各种尺寸的无机微粒的形态控制等等。如图1中所示,在特定表面活性剂控制下合成出的仿生贝壳,其具有与天然贝壳极为相似形状和花纹。又如,图2中所示的是由化学能驱动的纳米棒,其有可能在未来成为纳米药物,取代传统诊断和治疗中所用的药物。

众多关于纳米材料的技术及其日新月异的进展为纳米材料在众多领域中的应用提供了诸多的可能性,例如应用于制造粘性或可控润湿程度的表面、食品的包装及食品质量的检测元件、防反射和高透光率的玻璃、具有自我清洁能力并且能够抗菌的涂层、具有强防腐蚀性的陶瓷薄膜、能量存储及转换装置;也可以用于存储氢、甲烷、二氧化碳甚至杀虫剂和除草剂,以及为药物靶向释放提供多孔载体;或是应用于转换太阳能、制造人造骨骼用以修复和替代原骨组织;还可以为安全设备、显示器、油漆、化妆品和化学检测器提供色彩,制造用于寻找、摧毁目标、清洁油污、运输货物、定位细胞、治疗癌症的纳米机械……

自然界中亘古永存的纳米化学在不断地证明着自己乃是实验室中正在蓬勃发展的纳米化学的灵感源泉!

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