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“芯"基建-18:仿生和超构:道法自然or人定胜天?

已有 2623 次阅读 2020-10-22 20:44 |系统分类:教学心得

仿生和超构,微纳科技开出的两朵迷人之花。但他们看起来好像源起且行进在两条截然相反的路线上?一个一头钻进大自然博大深厚的怀抱,吸纳吞吐,熠熠生辉,一个则由我出发,近乎掘强地想要超越自然,不时突破传统边界,超常奇异:道法自然,抑或人定胜天?科学,亦是哲学。”      

“仿生,有点“张三丰”,道法自然;超构,有那么点“郭靖”,把看起来不可能努力变为可能。

                                                                                                                                                             -汪炼成   

  

一、美好有意思的仿生科技

《道德经》中说:“人法地,地法天,天法道,道法自然。”大自然的神奇博大和精彩纷呈,引领着科学家一直向大自然学习,从而获得技术启示和突破,由此诞生一门具体的也同样精彩纷呈的科学:仿生学。

一系列的仿生科技和研究真是让人爱不释手:

仿生光子晶体。蝴蝶翅膀和鹦鹉羽毛以及如Pollia condensata(波利亚康登萨,拉丁水果,)等具有绚丽夺目的色泽,Pollia condensate被誉为科学界已知色彩最鲜艳的果实(不知道味道是否和色泽匹配),而来自东南亚的圣甲虫(Cyphochilus beetle)具有比纸还白的肤色(追求美白的姑娘们可以看看,Scientific Reports 4, 6075 doi:10.1038/srep06075 (2014))。以上动植物组织的色泽,并不是由于色素(pigmentation),而是由于其表面非常复杂精致的三维微纳结构:不同尺寸、周期、堆叠层数方式等可反射不同波段的光,从而呈现不同的颜色。以上引起研究人员对所谓光子晶体结构色进行深入研究。我了解有剑桥大学的Professor Silvia Vignolini 专门从事仿生光子晶体的结构、性能和制备研究。

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    图1 Pollia condensata,被誉为科学界已知色彩最鲜艳的果实,其颜色主要源自最外层的螺旋cellulose microfibrils阵列,具有手型特征:比如左旋光入射,反射光变为右旋光(15712–15715| PNAS| September 25, 2012 |vol. 109 | no. 39)。


结构色也可以动态变化,比如身怀变色绝技的变色龙,即蜥蜴。变色龙的肤色会随着背景、温度和心情的变化而改变,其基本颜色是绿色,但可以随时变出深绿、浅绿、紫、蓝、褐色等,甚至可以变出各色相间“花里胡哨”的花纹色。没有看过具体的论文研究,猜测应该也是通过改变其皮肤光子晶体的参数,也许是周期,来改变光线的反射。比如,平静时光子晶体呈密集网状分布,周期小,可反射出蓝光。而当心情兴奋可能导致皮肤膨胀,即光子晶体周期变大,可能呈黄色或红色等颜色。也许皮肤收缩和膨胀也会导致光子晶体结构的重构而改变颜色。而“伪装色”,即根据周围环境色来改变颜色,也在动植物界频繁见到,比如兰花螳螂、苔藓叶尾壁虎和白桦尺蛾等。这是由于入射光改变,诱导其皮肤光子晶体结构发生变化而改变颜色。受此启发,科学家研发出新型变色“智能”皮肤,智能变色武器、装备等。

仿生界面科技。壁虎在垂直墙壁上也能自由爬行,超强吸力源于脚掌特殊的三维微纳结构,水珠在荷叶表面滚动,荷叶表面的特殊微纳结构使水滴和荷叶表面存在空气隔膜,从而产生疏水性。受此启发,江雷院士研究实现了生物型超疏水防雾(Advanced Material 2007,19 17:2213-2217),卡内基梅隆大学Metin Sitti教授实现超强黏附性和界面韧性壁虎爪子(ACS applied material interface, 2009, 1(4),L849-855),UCLA CJ Kim教授制备实现“憎一切”(superomniphobic)液体的超高疏水性功能性双凹角三维二氧化硅 (Science, 2014,346(6213):1096-1100)。此类仿生科技的发展成熟,也许可以让洗衣机成为历史,让建筑外墙永葆初时的清洁干净。现在很多建筑外墙短短几年就已经变得很脏了!

仿生复眼光学。许多动物的眼睛与人眼的结构、原理完全不同,因此具有很多人眼望尘莫及的功能,令人“刮目相看”。比如,乌贼(瞳孔呈W形,无法识别颜色,但却能光的偏振,改变整个眼睛形状实现聚焦,可观测到身前身后物)、山羊(瞳孔扩大时呈长方形,视野范围在320~340度)、蝴蝶(数百个微小的六边形晶状体组成,能同时看到各个方向,能看到紫外光)、变色龙(每个锥形结构可独自旋转,可同时看方向完全不同的两个独立物体,有利捕捉飞行昆虫)、猫头鹰、青蛙等。

各种动物眼睛启示仿生复眼光学元件和系统研究,为实现高精度定位、内视镜和微型广角成像等新颖功能。美国西北大学John Rogers教授,香港科技大学范智勇教授等在此领域做出较多成果。

还有仿生皮肤、类脑计算、仿生嗅觉等仿生科技和研究。

我觉得仿生很有意思,散发着自然的迷人气息,催发不断去发现和遇到自然中美好有趣的东西,学习并仿制以应用。也许不久以后我们就可以穿上“壁虎鞋”飞檐走壁,戴上仿生眼眼观六路,让红外紫外都成为“可见”,穿上变色衣躲进某青山绿水“成一统”,好好休养放松会。


二、迷人挑战的超构材料

与此同时,超构材料,也叫超材料,英文为Metamaterial,二维的Metamaterial称为Metasurface。Metamaterials和Metasurface,可以通过调节组成纳米单元的尺寸、位置、偏转角和周期等结构参数,实现对光的相位、偏振和强度的调控,从而实现超透镜等光学组件和调控发光方向等有源器件应用。

Metameterial引起热烈和越来越广泛的研究兴趣的原因,在于可以通过人工编辑材料,实现自然界暂时没有发现,和传统材料几乎不可能实现的性质。

超构材料由前苏联理论物理学家Veselago在1968年首先提出,可以用特殊的材料设计特殊的光学结构实现负的磁导率和介电常数。2001年美国加州圣地亚哥分校的R. A. Shelby实现微波波段10.5GHz的负折射率(Science,2001, 292 (5514):77-79),加州伯克利的Xiang Zhang课题组实现串联型渔网状堆叠三维结构超材料(Nature,2008,455:376-379),标志超材料实验上的实现。

 超材料的一个研究热点是 invisibility cloaks 隐身斗篷:通过超材料的设计,让电磁波“转弯”,绕着物体走,绕过障碍物,实现隐身。之所以能转弯和改变方向,归功于传统材料不具备的“负折射”特性。Invisibility cloaks 隐身斗篷可以在军事上有重要应用。

当然,超材料的研究和应用不仅仅限于电磁学方面,在力学、声学等方面都大有潜力和用武之地。

我觉得超构也非常地迷人,撩拨这挑战欲,激发人们的能动性,去“创造”自然中暂时没发现的东西,实现特异功能。也许不久以后也可以像哈利波特那样穿上隐身衣,实现魔法般隐身。

 

三、仿生和超构遐思

仿生和超构,微纳科技开出的两朵迷人之花。但看起来他们似乎源起且行进在两条截然相反的路线上?一个一头钻进大自然博大深厚的怀抱,吸纳吞吐,熠熠生辉,一个则由我出发,近乎掘强地想要超越自然,不时突破传统边界,超常奇异:道法自然,抑或人定胜天?科学,亦是哲学。               

想起《倚天屠龙记》中,张三丰凝望浮云流水,悟出武学以柔克刚的至理,创出震古烁今的武当武功,观摩汉阳蛇龟二山,从蛇山婉蜒之势、龟山庄稳之形中,创造赫赫有名的真武七截阵。相反,金庸里的鸠摩智,就要苦逼一些,痴迷武学,企图“人定胜天”,炼成天下至高武功,最终却走火入魔功力尽失。小时候看《天龙八部》,对这位可爱的吐蕃国师以及他的硕大耳垂印象极其深刻。而《射雕》里的郭靖,虽然木讷迟钝,但单纯刚直,孝义爱国,并一直勤奋苦修,得全真教道长授内功心法,与“白富美”女主黄蓉结缘,受洪七公传授降龙十八掌,偷吃大蟒蛇血而百毒不侵,终成金庸小说中最侠义模范和民族英雄。

仿生,有点“张三丰”,道法自然。

超构,不会“鸠摩智”,却有那么点“郭靖”,把看起来不可能努力变为可能。

其实鸠摩智最后大彻大悟也成为一代高僧。而注意前文对超构,Metamaterials的介绍—自然界暂时没有发现,和传统材料几乎不可能实现,artificial materials with properties not found in nature (Caloz & Itoh, 2006; Marqués et al., 2008)。

超构材料,只是自然界暂时没有发现而已,不代表自然界不存在。也许鸠摩智终大彻大悟,郭靖终成一代大侠民族英雄,本就是“命中注定”呢,而“贪”和“钝”只是锤炼手段而已。“人定胜天”,更多强调人的能动性,可以在一定程度“改造”自然。

当然超构材料的定义,我觉得有点模糊不准确:暂时自然界没发现,那么后续在自然界发现了就不能称为超构了?传统材料无法实现,那何为传统呢?也许需要对超材料具体的性质进行定义,但是传统材料无法清晰定义,传统材料和超材料的界线自然无法清晰。类似“负折射率”、“负泊松比”等超性质全部一一列举来定义超材料也不现实。

仿生和超构也并不是没有交融,比如可以用超构去仿生,抑或仿生中超构?我在新加坡科技大学从事过一段时间金属等离激元彩色印刷(Plasmon color printing)的工作,也没事琢磨:金属等离激元的性质在自然早就存在,比如4世纪就出现应用的古罗马酒杯(Lycurgus Cup),不属于超材料。但是Plasmon colour printing源自自然界的结构色,还是属于仿生。基于Si,TiO2的metasurface colour printing,我觉得就是超构和仿生的融合。湖南大学哈工大深圳德国斯图加特大学等课题组做出了较多出色研究成果。仿生中超构?似乎有点悖论?也许不呢!

仿生和超构,两朵迷人之花,结出更多硕果!




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1 王安良

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