造化无穷，道法自然。聪明的人类从中学到了很多，众多的发明创造都是源于大自然的启示。自上世纪60年代仿生学诞生以来，仿生材料学就成为一个重要的研究领域，从大自然中获得启示是仿生材料学的重要研究课题。
下面，我们来看看，大自然如何给我们启发？
1. 潜水钟蜘蛛的启示—仿生疏水促进CO2在Cu表面的还原 | Nature Materials
潜水钟蜘蛛是唯一一种毕生都在水下生活的蜘蛛，它靠建造自己的潜水钟在水下进行呼吸。首先它在水里的植物之间织一个圆顶状的网，然后升到水面，用腿上和腹部细毛的独特生理结构捕捉一些气泡，再将这些气泡带到蛛网下放开，如此反复几次后就能做成足够大的气泡，让自己呆在里面至少一天，而不需要补充氧气。（百度百科）
基于潜水钟蜘蛛捕气表皮结构的启发，瑞士联邦理工学院Victor Mougel 和法兰西公学院Marc Fontecave团队也在催化剂表面构建了这样可捕获气体的疏水表面，并用于电催化CO2还原。研究者采用十八烷硫醇修饰树突状Cu电极，将CO2气体分子捕获在电解质与电极界面之间，形成三相界面。经过修饰后的Cu电极形成的超疏水界面，可有效的捕获CO2分子，提高在催化剂表面的反应物浓度，从而提高了反应的选择性。同时该表面可有效抑制竞争反应（HER），协同增强反应活性，CO2还原反应的法拉第效率高达86%，C2产物的法拉第效率为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. 水母的启示—自修复电子皮肤 | Nature Electronics
水母早在六亿五千万年前就存在了，它们的出现甚至比恐龙还早，是水生环境中非常漂亮的、且重要的浮游生物。它的身体外形就像一把透明伞，伞状体边缘长有一些须状的触手。水母身体的主要成分是水，并由内外两胚层所组成，两层间有一个很厚的中胶层，不但透明，而且有漂浮作用。它们在运动时，利用体内喷水反射前进，远远望去，就像一顶顶圆伞在水中迅速漂游。作为一种凝胶状的水下无脊椎动物，除了它谜之发光之外，令科学家着迷的是它生有透明、可伸缩、触觉灵敏且能够自修复的器官，这些器官使水母能够在水生环境中自由游动和自我伪装并且存活。
（图片来源：百度百科）
基于水母自愈能力的启发，清华大学Chao Wang和新加坡国立大学BenjaminC.-K. Tee团队报道了一种导电的仿生皮肤材料，这种电子皮肤透明且可伸缩，对触摸灵敏，该材料由碳氟弹性体和富含氟的离子液体组成，具有可调节至10-3 S cm-1的离子电导率，并可承受高达2,000％的应变力。由于离子偶极相互作用，该材料在潮湿，酸性和碱性环境中具有快速且可重复的类似水母的机电自修复能力。为了说明该方法的潜在应用，研究者采用电子皮肤来创建触摸，压力和应变传感器，还可以印刷成柔软且柔韧的离子电路板，可用于开发诸如水上软机器人和防水人机界面之类的应用。
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. 海葵的启示—智能化纳米絮凝剂净化水质 | Nature Nanotechnology
海葵是一种长在水中的食肉动物，它没有中枢信息处理机构，也就是说它连最低级的大脑基础也不具备。虽然海葵看上去很像无害的花朵，但其实是很积极的捕猎者，它的几十条触手上都有一种特殊的刺细胞，能释放毒素，通常它用带刺的触手捕捉鱼和小的无脊椎动物。（百度百科）
（图片来源：百度百科）
北京大学赵华章与耶鲁大学Menachem Elimelech团队通过模仿海葵的身体构造和捕食特征，制备了智能化仿海葵纳米絮凝剂。该絮凝剂在使用前呈核壳胶束结构存在于水中，解决了多数絮凝剂在储运过程中易失稳的难题。尤为重要的是，在使用时由于浓度和pH变化，絮凝剂会发生类似海葵捕食的构型反转：由铝硅复合物组成的“壳”会水解相变，去除悬浮物和胶体；由有机官能团组成的“核”外翻并环绕固定于“壳”上，象海葵的触手捕捉水中小分子，诱发小分子形成了凝聚核进而形成絮体去除。通过上述智能过程，新型絮凝剂可实现一步去除悬浮物、胶体和溶解性污染物，简化深度处理工艺，实现水资源高效利用。
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. 细菌的启示—吩嗪类电解液用于水性有机氧化还原液流电池| Nature Energy
产甲烷古菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。互营细菌和产甲烷菌两大类微生物在协同合作下实现了目前约70%的大气甲烷排放，这种合作不仅仅是食物链上的简单依附关系，形成的互营关系能够克服有机质厌氧分解反应的热力学能垒，实现短链脂肪酸和醇类物质的互营氧化产甲烷过程。那么它是如何实现电子传递的？科学家经不懈求知，发现产甲烷菌自身所分泌的吩嗪类色素等氧化还原电子穿梭体是实现电子传递的一大途径。
（图片来源：百度百科）
受此启发，美国西北太平洋国家实验室Xiaoliang Wei和Wei Wang团队通过NMR、DFT虚拟筛选以及有机合成等方法，以几乎不溶于水的杂环吩嗪材料为对象合成了仿生的改性吩嗪材料，将其作为水性有机液流电池的负极电解液，其溶解度增加到1.8 M（电子摩尔浓度2.8M），氧化还原电位位移超过400 mV，由于其具有高水溶性和高稳定性，使得可逆容量史无前例地达到理论容量的90%。在接近其饱和浓度的条件下，可逆容量达到67 Ah l-1（1.4 V），循环500次后容量保持率为99.98%。这项研究提供了新的水溶性有机分子，将水溶性液流电池的容量推到了极限，为开发更大容量的实用性液流电池提供了借鉴。
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. 植物叶片的启示—光驱动净水生产 | Nat. Commun.
天然植物每天要从土壤中运输大量的水，这取决于由阳光驱动的专用韧皮部网络。半透性等离子孔的多孔界面中糖和离子的负载会降低水的化学势，从而可以连续吸水，叶子上的气孔在白天蒸腾并在夜间渗水。植物叶片将清洁水从地下输送到成熟叶片的机制是蒸腾作用和呼吸作用的协同作用，可以持续产生清洁水。
（图片来源：百度）
受此启发，清华大学曲良体, Tianbao Ma 和 Chun Li团队报道了一种用于高效水净化和生产的阳光驱动净化器。其特征在于负温度响应聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶（PN）锚定在超亲水三聚氰胺泡沫骨架上，并且一层PNIPAm改性石墨烯（PG）滤膜涂在其表面。结果表明，相对刚性的三聚氰胺骨架的超亲水性显著加速了PNPG-F净化器的膨胀/消溶胀速率。在一个太阳下，这种合理的工程结构提供了4.2 kg m-2 h-1的收集，并且从盐水进料中获得单个PNPG-F的离子排斥率>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. 瓶子草的奥秘—超快速水捕获和运输| Nature Materials
在自然界中，有很多神奇的材料天然就具有微纳米结构，能够允许水的定向运输和捕获。比如，蜘蛛丝具有纺锤节结构，能够从潮湿的空气中收集水滴；仙人掌表面具有梯度的沟槽结构，能够高效集水，因此能够在沙漠中生存。
陈华伟和江雷院士团队发现在瓶子草毛状体的表面，水的运输速度比在仙人掌脊柱和蜘蛛丝上的速度快三个数量级左右，这种优异的性能来源于瓶子草毛状体独特的多级次微通道结构。研究表明，具有两种不同高度类型的肋条规则地分布在毛状体锥体周围，其中两个相邻的高肋形成了包含1-5个低肋的大通道，低肋限定较小的基通道，导致产生了两种连续但不同的水输送模式。建模和实验测试表明，这种受生物启发的多级次微通道中的超快速水输送机制有望在微流体应用中发挥巨大的潜力。
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
自然为我们带来的馈赠远不止此，随着研究人员对仿生的不懈努力，越来越多的仿生材料会不断出现，这些材料能够推动未来科技和工业领域的发展，我们也同样期待着，更深刻的启示和发现带来更有价值的研究成果。
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