正所谓天生我材必有用，此言非虚也！大自然造化神奇，无物不可入科研。有鉴于此，我们对利用或仿照自然界和生活中常见的生物/物体进行科学研究的案例做了一些汇总，分期进行报道，希望能帮助大家挖掘出新的idea。
第二期：万物生
结构决定性能，你做的材料像什么，很大程度也决定了它可能有什么用。所以，有的时候，我们给自己的材料取一个名字，不仅仅是为了好玩。有时候是为了好玩，有时候是为了让人能记住，而最好的则是既满足以上，又能和性能有一定关系。
说到这里，我的脑海中就开始浮现出各种各样的物种了：石榴、西瓜、火龙果、红毛丹、大丽花、蚂蚁巢、蜂窝、枝-叶、玉米、章鱼吸盘、水果、碗、俄罗斯套娃、三明治/夹心/汉堡包、海胆、UFO、特洛依木马等等。我们从中选了最近一年来的几个案例，以飨观众~
Nat. Commun.: 蚂蚁巢
华中科技大学霍开富团队报道了一种自上而下技术，N2中对Mg-Si合金进行热氮化，然后在酸性溶液中去除Mg3N2副产物，最终得到蚂蚁巢状微尺度多孔硅（AMPSi），用于LIB中的高性能负极。同步辐射断层扫描重建图显示AMPSi具有3D互连Si纳米韧带和类似天然蚂蚁巢的双连续纳米多孔网络。厦门大学张桥保（共同通讯作者）提供原位TEM表征，原位TEM表明，宽度为几十纳米的Si纳米韧带可在锂化/脱锂期间可逆地膨胀/收缩而不粉化，并且Si纳米韧带的体积膨胀可通过周围的孔隙可逆地向内呼吸从而导致可忽略的颗粒水平向外膨胀。AMPSi集成了纳米级和微米级Si的内在优点，具有0.84 g cm-3的高振实密度和小的比表面。在涂覆5-8nm厚的碳层以改善导电性之后，碳涂层多孔硅负极在2100 mA g-1下提供1271 mAh g-1的高容量，1000次循环后容量保持率为90％，在5.1 mAh cm-2的高面积容量下具有17.8％的低电极膨胀。具有预锂化硅负极和Li（Ni1/3Co1/3Mn1/3）O2正极的全电池具有502 Wh Kg-1的高能量密度和400次循环后84％的容量保持率。
WeiliAn, Biao Gao, Shixiong Mei, Ben Xiang, Jijiang Fu, Lei Wang, Qiaobao Zhang,Paul K. Chu, Kaifu Huo, Scalable synthesis of ant-nest-like bulk porous silicon for high-performance lithium-ion battery anodes. Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-019-09510-5
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09510-5
Angew.: 子弹
楼雄文课题组展示了以子弹状ZnO颗粒做模板，合成了氮掺杂碳包覆的子弹状Cu9S5空心颗粒（Cu9S5@NC）。由于其独特的结构和组成优势，该材料具有优异的储钠性能：高的倍率和超稳定的循环性能。合成过程：首先制备子弹状ZnO固体颗粒，然后进行简单的阴离子交换过程以获得空心子弹状ZnS。在聚多巴胺（PDA）包覆和随后的碳化处理之后，获得氮掺杂碳包覆的ZnS（ZnS@NC）子弹状中空颗粒。通过随后的阳离子交换过程将空心子弹状ZnS@NC进一步转化为空心子弹状Cu9S5@NC。
YongjinFang, Xin-Yao Yu, and Xiong Wen (David) Lou*, Bullet-like Cu9S5 HollowParticles Coated with Nitrogen-Doped Carbon for Sodium-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI:10.1002/anie.201902988
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201902988
Nano Energy: 中国结
西南大学Maowen Xu、德克萨斯大学奥斯汀分校Graeme Henkelman和麻省理工学院Yuming Chen团队提出了一种用于Li-S电池的多功能中国结型电极设计，将空心NiCo2S4纳米管紧密交织，形成类中国结状。由1D纳米管构建的2D中国结网络的独特互连性使得电子能够快速传递。中空结构为硫的体积膨胀提供空间，并通过结构封装将LiPS限制在内部空间中。由于极性化学吸附能力，NiCo2S4可以有效地捕获LiPS，并将LiPS催化成Li2S2/Li2S。此外，基于LiPS硫原子的诱导，Co离子低自旋和高自旋的转变为稳定和降低体系能量提供了电子方式，从而抑制了穿梭效应。该电极在0.1 C下有1348 mAh g-1的高比容量，具有5mg cm-2的较高载硫量。
Chineseknot-like electrode design for advanced Li-S batteries[J], Nano Energy, 2018
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.08.065
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551830627X#f0030
ACS Nano:神经元
受神经元信号传递模式的启发，上海交大王开学课题组将MoS2纳米花（神经元胞体）与多壁碳纳米管（MWCNT）（轴突）串联来作为钠电负极材料。HRTEM揭示了在MWCNT界面上MoS2纳米片的晶格匹配生长机制，从而促进了电子转移和循环时的结构稳定，MoS2沿（002）面生长促进了钠离子插入/脱插动力学。该复合材料用作SIB负极表现出优异的电化学性能。
Neuron-InspiredDesign of High Performance Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries[J], ACSNano, 2018.
DOI:10.1021/acsnano.8b06585
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06585
Nano Energy:三明治
富锂层状氧化物（LRLO）具有初始库仑效率低、循环和倍率性能差的缺点。厦门大学彭栋梁、谢清水和武汉理工麦立强团队通过简便的无模板方法，然后进行碳热还原合成了具有三明治状碳@尖晶石@层状@尖晶石@碳（LRLO-500@S@C）的独特双壳LRLO空心微球。分层双壳中空结构、特殊的层状@尖晶石@碳异质结构壳和引入氧空位的多尺度协调设计，有利于缩短锂离子扩散路径，加强结构稳定性和减少副反应。该材料提供312.5 mAhg-1的高初始充电容量，初始库仑效率高达89.7％。循环200次后，分别在1C和5C下获得228.3 mAhg-1和196.1 mAhg-1的放电比容量。
YatingMa, Pengfei Liu, Qingshui Xie, Guobing Zhang, Hongfei Zheng, Yuxin Cai, Zhi Li,Laisen Wang, Zi-Zhong Zhu, Liqiang Mai, Dong-Liang Peng, Double-shell Li-richlayered oxide hollow microspheres with sandwich-likecarbon@spinel@layered@spinel@carbon shells as high-rate lithium ion batterycathode, Nano Energy, 2019.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519301533
Appl.Catal. B-Environ.：枝-叶结构
电化学催化过程与树木中的光合作用过程非常相似。叶-暴露的有效催化活性位点数量决定了催化反应速率，枝-集流体负责将电化学反应的电子进行快速传输和供应。
湖南大学旷亚非、周海晖、黄中原和北京科技大学焦树强团队利用一步芬顿反应在碳纳米管CNT上生长了超薄FeOOH，以构筑仿生“枝-叶”结构，该结构为OER提供了更多有效的催化活性位点。
芬顿反应中，Fe2+与H2O2迅速反应生成OH-和·OH自由基，而Fe2+被氧化成Fe3+。·OH自由基攻击CNT，形成了丰富的缺陷和含氧官能团，Fe3+可以吸附周围的OH-和O2并转化为FeOOH，使CNT“枝”上生长了许多超薄FeOOH“叶”。DFT计算表明CNT和FeOOH“枝-叶”之间的协同效应降低了OER的反应能垒，提高了本征催化活性，因此该材料表现出优异的水分解催化性能。研究者进一步在芬顿反应过程中将FeOOH@CNT沉积在镍泡沫上，形成了NixFeyOOH@CNTs/NF复合材料。该复合材料在100 mA cm-2的电流密度下仅有216 mV的过电位，塔菲尔斜率仅为26mV dec-1，TOF高达12.50s-1。将该复合材料作为阳极，Pt片作为阴极进行全解水测试，仅需1.44 V的电压即可获得10 mA cm-2电流密度。
Huanxin Li, Qiang Zhou, Fuyu Liu, WenlongZhang, Zhong Tan, Haihui Zhou, Zhongyuan Huang, Shuqiang Jiao and Yafei Kuang,Biomimetic Design of Ultrathin Edge-Riched FeOOH@Carbon Nanotubes as High-Efficiency Electrocatalysts for Water Splitting, AppliedCatalysis B: Environmental,2019, DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.117755
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337319304941
AM: 水果结构和功能
通常，聚合物网络在良溶剂中溶胀形成凝胶，且凝胶在不良溶剂中收缩。北海道大学Jian Ping Gong课题组报道了一种异常现象：一些疏水性凝胶在水中显著膨胀，达到高达99.6wt％的水含量。非溶剂水中的这种异常溶胀行为在各种疏水性有机凝胶中能够普遍观察到，其含有对水比对疏水性聚合物更高亲和力的有机溶剂。研究者发现，由于快速的相分离形成了半透性表层，此外，由有机溶剂-水混合的高渗透压驱动的水分子不均匀扩散到凝胶中是该溶胀行为的主要原因。该类疏水性水凝胶具有水果状结构，由疏水性表皮和水捕获的微孔组成，以显示各种独特的性质，例如显著增强的强度、表面疏水性和抗干燥性（尽管它们具有极高的含水量）。此外，疏水性水凝胶能够从浓盐水溶液中的选择性吸水和在小压力下快速释放水，类似于从果实中挤压果汁。疏水性水凝胶的这些新功能将发现有希望的应用，譬如，作为能够自动从海水中获取淡水的材料。
HuiGuo, Tasuku Nakajima, Dominique Hourdet, Alba Marcellan, Costantino Creton, WeiHong, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong, Hydrophobic Hydrogels with Fruit‐Like Structure and Functions. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201900702
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900702
AFM：UFO
新型的Janus纳米结构可以作为高效的药物传递系统。东北师大Zhang等人制备了UFO状具有Janus结构的CD-Pd Ns/ ZIF-8纳米颗粒（JNPS）。CD-Pd NS和PAA-ZIF-8分别用于装载疏水性的10-羟基喜树碱(HCPT)和亲水性阿霉素(Dox)进行协同化疗。并且Pd NSs具有的较宽的近红外(NIR)吸收带，光热转化性能突出。在体外和体内实验结果表明，激光辐照组的双药JNPs治疗肿瘤的效率最高。这一工作通过合理设计JNPs的组成，大大拓宽了JNPs的生物医学应用前景。
Zhang,L.Y., Li, S.N. et al. Tailored Surfaces on 2D Material: UFO-LikeCyclodextrin-Pd Nanosheet/Metal Organic Framework Janus Nanoparticles for Synergistic Cancer Therapy, Advanced Functional Materials, 2018.
DOI:10.1002/adfm.201803815
https://doi.org/10.1002/adfm.201803815
Angew：核壳结构纳米UFO
安徽师大夏云生与南开大学肖乐辉、香港中文大学王建方团队合作制备了一种各向异性、二维飞碟状（UFO）AuNP@MnO2 核@壳结构超级纳米粒子（简称为AMNS-SPs，由金纳米球和二维MnO2纳米片组成），并在单颗粒水平研究了其与细胞的相互作用。MnO2纳米片由于具有超薄的厚度（4.2 nm）与较大的直径(230 nm)，且柔软易变形，在胞吞过程中，它们弯曲、折叠进一步包裹AuNPs，导致周围的折射率增大造成LSPR红移，可反映二维纳米材料与细胞膜动态的相互作用。 红移之后的蓝移因依赖于细胞内的还原性物质，所以也可用来研究细胞内局部环境的氧化还原状态。
Yunyun Ling, Di Zhang, Ximin Cui, Meimei Wei,Ting Zhang, Jianfang Wang,Lehui Xiao, Yunsheng Xia. Direct Monitoring CellMembrane Vesiculation with 2D AuNP@MnO2 Nanosheet Supraparticles at Single‐Particle Level. Angewandte ChemieInternational Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201902987
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201902987
Nat. Commun：花
活性氧（ROS）诱导细胞凋亡是治疗恶性肿瘤的一种很有前景的治疗策略。然而，目前这一策略仍然非常依赖于氧含量和外部刺激来产生的ROS，这就极大地限制了其治疗功效，尤其是在低氧性肿瘤中。
XiaogangQu和Jinsong Ren团队开发了一种基于纳米酶自我组装的仿生纳米花，它可以催化一系列细胞内生化反应，从而在没有外界刺激的情况下和在缺氧或低氧条件下产生ROS。PtCo纳米粒子首先被合成并用于指导MnO2的生长。通过调整反应物的比例，得到了具有良好催化效率的MnO2@PtCo纳米花，PtCo表现为氧化模拟酶而MnO2则作为过氧化氢酶。通过这种方式， MnO2@PtCo纳米花不仅可以缓解低氧状况，而且可以显著地通过ROS介导机制诱导肿瘤细胞凋亡，从而对肿瘤生长产生显著的特异性抑制作用。
Wang,Z.Z., Zhang, Y. et al. Biomimetic nanofl owers by self-assembly of nanozymes to induce intracellular oxidative damage against hypoxictumors. Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-018-05798-x
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05798-x
Nat.Commun：特洛伊木马
纳米药物的靶向递送会受到一些生物学障碍的阻碍。Yuanpei Li团队报道了一种尺寸/电荷可转换的特洛伊木马纳米颗粒 (pPhD NPs) 用于递送超小型、全活性药物佐剂(API)，具有双重模态成像和三模态治疗功能。pPhD NPs表现出理想的尺寸大小和药物运输功能。在肿瘤微环境中，pPhD NPs可以响应性地转化为有超微尺寸和较高的表面电荷的API，极大地促进了其在肿瘤的穿透和细胞摄取。pPhD NPs可以通过近红外荧光成像和磁共振成像等手段实现对其生物分布的可视化。此外，协同光热、光动力和化疗在皮下及原位口腔癌模型上也能达到100%的治愈率。这一工作为多功能的纳米诊疗平台开发提供了新的思路。
Xue,X.D., Huang, Y. et al. Trojan Horse nanotheranostics with dual transformability and multifunctionality for highly effective cancer treatment, Nature Communications, 2018
DOI:10.1038/s41467-018-06093-5
https://www.nature.com/articles/s41467-018-06093-5
Nano Lett.: 纳米六角星
Au通常以立方密堆积（ccp）结构结晶，呈现面心立方（fcc）晶相。夏幼南课题组证明：具有六方密堆积（hcp）结构的纳米级Au六角星可以在fcc-Au纳米球作为种子的情况下，在含水系统中合成。成功合成的关键在于使用乙二胺四乙酸与Au3+离子（前体）络合，并引入2-磷酸-1-抗坏血酸三钠盐（Asc-2P）作为一种新型还原剂来操纵还原动力学。Asc-2P的使用促进了六角星的顶面和底面的不平坦，以及边缘周围的凹面的形成。通过改变Asc-2P的量来微调还原动力学可以调整侧面的凹度，更快的还原速率有利于更大的凹度和等离子体共振峰向近红外的红移。该结果首次表明磷酸酯和羟基可以协同控制Au纳米晶体的形态。最重要的是，新沉积的Au原子也可以在hcp结构中结晶，并沿生长方向发生从fcc到hcp的相变。
DaHuo, Zhenming Cao, Jun Li, Minghao Xie, Jing Tao, Younan Xia, Seed-Mediated Growth of Au Nanospheres into Hexagonal Stars and the Emergence of a Hexagonal Close-Packed Phase. Nano Letters, 2019.
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b00534
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00534
在不同领域中，材料所需要达到的目的不同，对于结构设计要求也是不一样的，因此比拟的物体种类也不同。电极材料中通常需要多孔、空心、碳包覆这样的手段，以便于提高离子和电子的传导，纳米递药中所需要的就是能够顺利进入人体然后进行释放药物最后靶向治疗，其他领域各有各所需要借鉴的对象。当然，单纯好玩的科学探索，即便看起来没有什么用，也是非常有意思的。
大自然造物无穷，等着你去发现，我们下期再见~
