在古希腊神话中，美杜莎是个臭名昭著的人物，因为她可怕的目光可以把和她对视的人变为石头。这是个很长的故事，不过她还是被塞浦路斯国王波里德克特斯派来的英雄波尔修斯砍了头。波尔修斯没有直接看美杜莎，而是机智地利用了盾牌的镜像，这样就避免了被变为石头。

把人变成石头不妨可以看做是利用生物材料做模板进行复制的极端假想，不过这个创意很清楚，即某种天然模板，其中的有机质引导了无机组分的成核、生长和组装，并成为模板自身的“硬”复制。

在材料化学和纳米化学世界，很多有机模板已经被用作结构导向剂，来复制多种多样的无机材料和纳米材料──简直就是现代版的美杜莎化学！实验室通常使用的有机模板有烷基季铵盐、溶致液晶、嵌段共聚物和胶体晶体。这些模板已经用来合成了一些列纳米孔材料，具有均匀尺度和周期有序孔结构，孔尺度从埃到微米。如果孔结构的有序程度足够高，就可以衍射X射线或者可见光。可见光尺度的大孔材料也称为光子晶体。

有人或许会问，为什么不用自然界中的衍射光栅，如闪蝶的翅膀，来通过“美杜莎化学”来变成石头？虽然这个听起来像是没有特别价值的小练习，不过事实证明从蝴蝶翅膀中我们能学习到很多生物光学知识，并可以用在光子通信专用功能光子晶体的设计和构筑上。蓝闪蝶的翅膀具有几丁质的光子晶体微结构，已经被用作天然模板来复制合成无机材料。要高保真地复制翅膀结构，复制过程必须在非常温和的条件下进行，以保证几丁质结构不被破坏。可以在100 ℃，通过低温原子层沉积（ALD）交替沉积三甲基铝和水，用这个方法，可以在整个蝴蝶翅膀上控制形成埃精度厚的氧化铝涂层。反向复制的氧化铝翅膀可通过在空气中800 ℃下热处理得到。在这个条件下，几丁质被除去，沉积的玻璃态氧化铝结晶成为颗粒约3 nm的纳米晶体。

蝴蝶翅膀的氧化铝复制。（a）氧化铝涂层的蝴蝶翅膀鳞片的光学图像，显示填充比例导致颜色从起始的蓝色到粉色。（b） 在硅衬底上的氧化铝复制结构，有机模板已经除去。（c）氧化铝复制结构的EDX谱。（d）翅膀鳞片的氧化铝复制的精细结构。（e）氧化铝复制结构中的两个折断的细支架

蝴蝶翅膀微结构的纳米尺度精细复制，可以从上图中的电镜图片看到。原始翅膀和用不同体积填充比例的氧化铝反向复制，证实氧化铝复制结构继承了光子晶体的微结构和性质。值得注意的是，翅膀中的功能波导和分束器结构也被这个“美杜莎化学”过程忠实地复制了。

我们可以设想一下，自然界中的生物光子晶格可以被基因工程改造并按照设计来制备完美的微结构和功能缺陷。将来有可能以“美杜莎”方式产生小型光学器件和回路用于光通信。

本文摘编自由加拿大多伦多大学Geoffrey Ozin教授等著，美国西北大学Mirkin先生作序，陈铁红译《纳米化学：纳米材料的化学途径》一书，该书是纳米化学方面的首部教科书。作者描绘了一幅基于纳米结构单元合成方法的现代材料研究图景，通过自组装来控制纳米到微米级别的物质形态，使“自上而下”的固态工程物理方法和“自下而上”的分子-化学方法得到完美融合，其应用范围包括化学电池、燃料电池、光伏电池、数字成像和印记、微电子组装、可控化学释放、化学传感器、分子分离、催化和光催化、组合材料化学、微流体、芯片实验室、纳米电子学、纳米光子学和纳米磁学等各个领域。

同期微信还有《纳米化学：纳米材料的化学途径》、《50000个针尖环绕》、《识别指纹的纳米晶体》文章发表，敬请关注科学出版社微信。

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