“構(gòu)筑”神奇的仿生世界——記北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院趙勇教授

本刊記者 李明麗

“構(gòu)筑”神奇的仿生世界
——記北京航空航天大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院趙勇教授

本刊記者 李明麗

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及，但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來了。仿生學(xué)家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。

早在上世紀(jì)40年代，人們根據(jù)對螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化。

19世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設(shè)計出世界上最早的伏特電池。

五彩的蝴蝶錦色粲然，重月紋鳳蝶，褐脈金斑蝶，科學(xué)家通過對蝴蝶色彩的研究，為軍事防御帶來了極大的裨益。

科技發(fā)明的最終目的，是為了使我們掌握方法、獲得工具，在最短時間內(nèi)通過最佳途徑，到達(dá)目的地。那些致力于科技發(fā)展的人，努力探尋捷徑，推動世界飛速發(fā)展。他們像一個個魔術(shù)師，展示著令人眼花繚亂的“魔術(shù)”，讓世人震驚而獲益。

趙勇，就是這樣一位魔術(shù)師，他將自己所有的熱愛和精力，以一種深沉的感情，將仿生材料學(xué)推到了一個全新的高度。

蛛絲奇跡 神奇的仿生

達(dá)芬奇說過：“人類的靈性將會創(chuàng)設(shè)出多樣的發(fā)明來，但是它并不能使得這些發(fā)明更美妙、更簡潔、更明朗；因為自然的物產(chǎn)都是最恰到好處的?！钡?，仿生學(xué)的典范成就并非來自對自然的模仿，而是努力探究自然系統(tǒng)背后的原理與機制，然后對其加以具體應(yīng)用的結(jié)果。

蜘蛛絲是大自然幾億年進(jìn)化中創(chuàng)造的奇跡，具有很高的強度、彈性、柔韌性、伸長度和抗斷裂功能，以及輕盈、耐紫外線、生物可降解等優(yōu)點，是包括蠶絲在內(nèi)的天然纖維和合成纖維所無法比擬的。近年來美國、瑞士、加拿大、日本、德國、丹麥等國先后對蜘蛛絲進(jìn)行了深入的研究。但是，對于霧氣中的蜘蛛絲能夠懸掛大量水滴這一常見現(xiàn)象卻從未被關(guān)注。

受這一現(xiàn)象啟發(fā)的趙勇，利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對蜘蛛網(wǎng)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)篩孔蜘蛛的捕捉絲在遇到霧而潤濕時，能由納米纖維組成的蓬松和鏈結(jié)構(gòu)變成周期的紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)和纖細(xì)的鏈接結(jié)構(gòu)。在紡錘節(jié)上形成無序分布的納米纖維，而在鏈接上則形成有序排列的納米纖維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)特性在紡錘節(jié)和鏈接之間形成了表面能量梯度，同時由于曲率梯度還產(chǎn)生拉普拉斯壓差，正是這些微觀多結(jié)構(gòu)的耦合，產(chǎn)生兩個梯度的力協(xié)同地作用于小尺度液滴上，使蜘蛛絲能夠?qū)崿F(xiàn)一個連續(xù)的水凝結(jié)傳輸過程，其結(jié)果是較大的水滴能夠被快速而高效的收集，對蜘蛛絲高效定向集水機理揭示的重要科學(xué)意義在于解決了以往在小尺度液滴驅(qū)動上的瓶頸問題。

從實際應(yīng)用的角度來說，仿蜘蛛絲集水的“多協(xié)同效應(yīng)”機制的多級結(jié)構(gòu)材料將對于設(shè)計大規(guī)模的人造纖維網(wǎng)以收集霧水，滿足水源缺乏地區(qū)人們的淡水需求具有重要意義；此外，還可以設(shè)計纖維網(wǎng)狀材料，以用到局部地區(qū)除霧、工業(yè)加工和生產(chǎn)過程中的浮質(zhì)過濾等等。

2010年2月，以趙勇教授為通訊作者完成的論文——“蜘蛛絲的方向性集水效應(yīng)”，作為封面文章發(fā)表在國際權(quán)威刊物Nature 2010, 463, 640上，發(fā)表后立即引起世界各大媒體的廣泛關(guān)注：包括Nature新聞網(wǎng)，《科學(xué)美國人》、《探索》雜志，英國廣播公司，材料研究協(xié)會、英國皇家化學(xué)會網(wǎng)站，俄羅斯科學(xué)網(wǎng)，新華網(wǎng)等都對該工作進(jìn)行了報道。

美國懷俄明州大學(xué)的R a n d o l p h Lewis 教授評價說“這項研究的有趣之處是這種（集水）效應(yīng)完全是由于纖維本身。蜘蛛絲有一種特性，就是不被任何材料所匹配，如果我們能了解到怎樣去匹配這個特性，我們將會研制出一種較高性能并具有廣泛應(yīng)用前景的綠色材料。”

“中國科學(xué)家在正確的方向上邁出了重要的一步。”

荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。上世紀(jì)九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。這是“荷葉效應(yīng)”能自潔葉面的奧妙所在。荷葉自清潔效應(yīng)可以使我們不必再去清洗汽車或門窗，這聽起來很動人，但是實際上還有很長的路要走。

為了實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，在艱苦的探索后，趙勇及其團(tuán)隊注意到傳統(tǒng)的制備超疏水自清潔表面的方法通常需要復(fù)雜的步驟且多限于實驗室規(guī)模。因此，他們認(rèn)為靜電力制備技術(shù)有望成為制備超疏水表面的新方法?；诖嗽O(shè)想，他們通過調(diào)節(jié)電場力與液體表面張力及高分子溶液粘彈性三者之間的關(guān)系，得到了不同表面形貌的薄膜，并研究了其浸潤性。

他們首次報導(dǎo)了電紡仿生制備具有多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的類荷葉自清潔效應(yīng)的超疏水薄膜，為低成本大規(guī)模制備自清潔表面提出了一種有效的新方法，成果發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,4338上，被選為Wiley Newsworthy，編輯評價“荷葉自清潔效應(yīng)可以使我們不必再去清洗汽車或門窗，這聽起來很動人，但是實際上還有很長的路要走。中國科學(xué)家在正確的方向上邁出了重要的一步?！?/p>

該方法現(xiàn)已成為超疏水自清潔材料制備的經(jīng)典方法之一，該文章已被他引280次。美國MIT著名高分子科學(xué)家Robert. E. Cohen利用到他們提出的方法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制備了可以隨溫度變化實現(xiàn)超疏水與超親水之間可逆轉(zhuǎn)變的智能響應(yīng)薄膜，這為低成本制備智能開關(guān)材料提供了一種新方法。

“仿生的一大進(jìn)步”

自然界中的生命體經(jīng)過長期進(jìn)化，通過適應(yīng)生存環(huán)境，生物材料的結(jié)構(gòu)與功能已達(dá)近乎完美的程度。因此，仿生制備具有多級結(jié)構(gòu)的功能材料是材料科學(xué)發(fā)展的重要方向之一，也是目前國際上研究的前沿?zé)狳c領(lǐng)域之一。

趙勇及其團(tuán)隊從蜘蛛的多口仿絲器受到啟發(fā)，在國際上首次提出多流體復(fù)合電紡的概念，成功制備了具有獨特多通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一維微納米材料，且通道數(shù)目精確可控。該工作一方面提出了一種全新的微納米材料制備方法，另一方面該方法所制備的獨特的多通道結(jié)構(gòu)是之前其它任何方法所沒有得到過的，從而進(jìn)一步豐富了微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料家族。

2007年，該工作發(fā)表在J.A m.Chem.Soc.2007,129,764，被選為當(dāng)期ACS News 及Most-Accessed Articles，并被多家媒體以“一種新型微管制備方法”和“仿生的一大進(jìn)步”為題進(jìn)行了相關(guān)報道。

美國康奈爾大學(xué)的Y.L.Joo教授在Small 2009,5,2323中引用他們的文章評價“這個方法學(xué)能夠作為一種更為簡單和更加可控的手段用于制備紡生多通道結(jié)構(gòu)的微管。”

就像破繭成蝶一樣，每一次掙脫束縛都是一種蛻變?？邕^這些困難，頂住這些壓力，你就前進(jìn)了一大步。他們總在不斷的突破自己，在理想與現(xiàn)實的結(jié)合點上，去追求發(fā)現(xiàn)的樂趣。

作為一類獨特的結(jié)構(gòu)材料，中空膠體粒子吸引了越來越多的注意，這是由于他們在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要技術(shù)價值，例如藥物輸運，人造細(xì)胞，輕質(zhì)添料，催化，鋰電池和化學(xué)儲能等。

根據(jù)對電紡絲和電噴霧的理解，趙勇及其團(tuán)隊進(jìn)一步擴展了多流體電射流技術(shù)的應(yīng)用范圍，發(fā)展了一種復(fù)合流體電噴霧技術(shù)，在國際上首次制備了多空腔和多組分微膠囊。該工作的意義在于可以將多種功能組分一步包覆在同一微膠囊之內(nèi)并且互不干擾，解決了以往的微膠囊制備技術(shù)通常只能一次包覆一種物質(zhì)的瓶頸(J.Am.Chem.Soc.2008,130,7800)。

C&E News對該工作的評價是“這一技術(shù)將在藥物輸運、材料科學(xué)和食品科學(xué)中得到應(yīng)用。而以前的方法若想同樣包覆多種組分需要許多的步驟并且很難做到多組分間彼此分開?！倍嗔黧w電噴的進(jìn)一步研究工作應(yīng)邀在Chinese Sci.Bull.2009,54,3147作為封面文章發(fā)表，相關(guān)工作被中國科學(xué)院院士工作局《學(xué)部通訊》給予封面報道。

用新觀念帶好新時代的兵是趙勇團(tuán)隊常打硬仗的關(guān)鍵，而做好一個合格將帥的同時，他還密切關(guān)注行業(yè)發(fā)展、關(guān)注國際發(fā)展最前沿。從自然生物材料中汲取靈感，仿生制備具有多級微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的功能材料是化學(xué)與材料科學(xué)發(fā)展的重要方向之一，也是目前國際上研究的前沿?zé)狳c領(lǐng)域之一。在科研工作中勇于創(chuàng)新的趙勇團(tuán)隊將立足仿生材料這一前沿課題，開展“多級結(jié)構(gòu)微納米復(fù)合材料制備及功能研究”。

把成果看作是一個經(jīng)歷，把榮譽看作是一種鼓舞，對于一位在科研殿堂里執(zhí)著求索的青年科學(xué)家來說，也許這是最寶貴的品質(zhì)，因為擁有一顆淡然而執(zhí)著的心，才能讓自己以榮譽為起點，更堅定地在科研道路上走下去，走出一條越來越寬、越來越遠(yuǎn)的路。