道法自然，向自然学习，是原始创新科学研究的源泉，是创造新材料和新器件的重要途径，一直在推动着人类社会的发展和文明的进步。

自然界中的动物和植物经过亿万年的进化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。例如，自然界生物表面的特殊浸润、黏附性能，飞鸟骨骼系统具有质量轻、强度大的构造形态，贝壳的珍珠层具有高的韧性和硬度等优异的力学性能，蜘蛛丝兼具独特的高强度、高弹性和高断裂功等机械性能和良好的可降解性和与生物组织的相容性等生物学特性。研究表明，自然界中生物体具有的这些优异的结构和功能均是通过由简单到复杂、由无序到有序的多级次、多尺度的组装而实现。因此，向自然学习是新型高性能纳米复合结构材料发展的重要思路。

具有特殊表面浸润、黏附性能的生物体

自然界生物体中独特的微米、纳米结构赋予其特殊的表面浸润、黏附性能。浸润性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸润性的研究无论在基础研究和工业应用方面都有着重要的意义。

◁ 荷叶的自清洁性。荷叶“出淤泥而不染”及以及一些昆虫翅膀 (如蝉、蜻蜓、蝴蝶翅膀等) 表面的自清洁性，就是由于它们表面特殊的微观结构使固/液界面形成了气膜，水滴不能浸润而达到超疏水性引起的。

◁  水稻叶的各向异性滚动性。一些生物体如水稻叶、鸭和鹅的羽毛、蝴蝶翅膀等，水滴在其表面具有滚动的各向异性，即沿与表面主干平行和垂直的方向滚动性不同，这与表面微观结构的排列方式有关。

 ◁  仙人掌叶的连续雾水收集

  ◁  玫瑰花瓣的黏附性

◁  水黾腿的超疏水力。水黾腿具有超级疏水力使得水黾能够在水上自由行走。

 ◁  蚊子复眼防雾性。蚊子的复眼具有很好的防雾能力。

 ◁  蜘蛛丝的挂水能力。蜘蛛丝的方向性集水性能。

  ◁  水下鱼对油的低黏附性

作者课题组从仿生的角度出发，在研究自然界具有特殊浸润性材料的基础上，构筑多种纳米/微米复合结构的特殊浸润性界面和智能界面，研究纳米材料和结构对表面浸润性的影响，并研究以浸润性为主的多响应性表面、多功能性超疏水表面和控制制备微纳米材料，这些材料在微流体控制、智能视窗、分子分离和分析以及药物控制缓释领域有着很大的潜在应用前景。

自然界中具有光学特性的生物

自然界中的生物拥有各种各样的颜色，但是这些颜色并不都是通过生物体内所含有的色素对光的吸收所引起的颜色，而有些生物如色彩绚丽的孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、天然蛋白石、珍珠等与生物体的微观结构有关，这些颜色是光在生物体的亚微米结构中的反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色。

 ◁  孔雀羽毛结构色

 ◁  蝴蝶结构色

 ◁  天然蛋白石结构色

 ◁  甲虫结构色  由于这种颜色与结构有关而与色素无关，因此也称为结构色。结构色中最著名的是光子晶体，是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。例如，蛋白石的组成仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终呈现了绚丽的色彩。对生物结构色中光子晶体的研究，为开发新一代光子材料、存储材料以及显示材料具有重要指导意义。

 ◁北极熊毛吸收红外线性。除了结构色，自然界的很多生物还有其独特的光学系统。北极熊的体色从外表看是白色的，实际上它的皮肤是黑绿色的。电子显微镜研究结果表明，北极熊的毛是空心无色的细管，这些细管的直径从毛的尖部到根部逐渐变大。

北极熊的毛看上去之所以是白色的，是因为细管内表面较粗糙引起光的漫反射所致。当人们利用自然光对北极熊拍照时，它的影像十分清晰，而借助红外线拍照时，除面部外在照片上却看不到它们的外形。可见北极熊的皮毛有极好的吸收红外线的能力，而且具有较好的绝热、保温性能。很多鸟类的羽毛和北极熊毛一样,都具有极为精细的多通道的管状结构。由于其具有优异性能，很多科学家对这种多通道管状结构产生了浓厚的兴趣，仿照北极熊的毛管，可以制成隐形、保温、节能的人造中空纤维。作者课题组在国际上首次提出了多流体复合电纺/喷技术，并成功地制备出了具有仿生多通道结构的TiO₂微米管/球，管/球的通道数/空腔数可以调节，这种技术具有极为广泛的应用前景。

 ◁甲虫侦测红外线。一种名为Melano philaacuminate的甲虫可以感知80 km以外的森林火灾。它们通过特殊的陷窝器来侦测红外线，每个陷窝器都由50～100个15 μm的传感器组成，这些传感器能够吸收波长为3 μm的红外线辐射，而这恰好是一场猛烈的火灾所释放的主要波长形式。火灾所产生的红外线辐射热量使传感器膨胀，从而启动了甲虫的机械性刺激感受器，适时地给予甲虫森林火灾的信息。这种优异的传感能力必将对人类的遥感技术产生深远的影响。

一些昆虫的翅膀及眼睛所具有的减反射性质，也是由特殊的表面微结构引起的。

 ◁蝉翅膀具有减反射性

 ◁蛾的眼睛具有减反射性

生物启发对先进的材料科学和光学系统的创造性设计，已经成为研究人员和科学家的新兴课题。模拟生物体先进的光学系统，利用实用性具有可定制光学特性的聚合物，应用软平板印刷术和三维微尺度处理技术，可以快速构建复杂的设计，如受到光敏性海星的启发设计的微流体双重透镜。

自然界中轻质高强复合材料的微结构

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人们在了解和掌握生物材料的设计方法以及材料最短长度尺寸的功能后，就可以学会构建轻质、高强度的仿生合成复合材料。这种从生物获得灵感的无机材料合成方法就是所谓的仿生材料合成或者仿生形貌生成方法。例如，如果我们使用比构造出贝壳的原材料强度更高的材料，以其相同的设计，就有希望生产出强度更高的复合材料，用于装甲复合材料系统或机翼复合材料结构。

本文由刘四旦摘编自江雷等编著《仿生智能纳米材料》一书“第一章  仿生智能纳米材料概述”。有删减改动，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-045894-0

仿生智能纳米材料是利用自然的仿生原理来设计合成的具有特殊优异性能的功能和智能材料。它是材料、化学、物理、生物、纳米技术、先进制造技术、信息技术等多学科交叉的前沿研究热点之一。仿生智能纳米材料的设计、可控制备和结构性能表征均涉及材料科学的最前沿领域，代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向，它将对经济、社会、科学技术的发展产生十分重要的影响。

《仿生智能纳米材料》一书汇聚了作者多年来在该领域的研究成果，同时介绍了国内外同行最新的研究进展。本书图文并茂、深入浅出，从具有特殊优异性能的生物原型材料入手，将仿生材料的设计理念、材料结构与功能关系、智能驱动原理及在生产、生活中的应用进行了系统的介绍。

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