遺態(tài)材料的發(fā)展及其應(yīng)用

19世紀(jì)起，科學(xué)界對(duì)生物分類的收斂性和對(duì)于大陸形成及化石地質(zhì)學(xué)的研究發(fā)展迅速，1859年達(dá)爾文著作《物種起源》問(wèn)世，人類對(duì)自然生物的認(rèn)識(shí)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。在該書中，查理·達(dá)爾文認(rèn)為人類的繁衍屬于“非自然”選擇，人類自身發(fā)生著系統(tǒng)性變化，所以野生生物也是一個(gè)物競(jìng)天擇的過(guò)程，認(rèn)為自然選擇過(guò)程可以比喻成“自然戰(zhàn)爭(zhēng)”，包括其他動(dòng)物、寄生物、食物供應(yīng)、溫度和水源等外界環(huán)境壓力。達(dá)爾文的進(jìn)化論觀點(diǎn)認(rèn)為，動(dòng)物和植物進(jìn)化至今的復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能組織，是經(jīng)過(guò)在殘酷的自然選擇和不斷抗?fàn)幹凶儺惙毖?，是在殘酷的自然選擇過(guò)程之下得以生存的結(jié)果，這種演變就形成了無(wú)窮無(wú)盡、美輪美奐、盡善盡美的生命形式和自然物質(zhì)。

這種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化和自然選擇形成的結(jié)構(gòu)和功能遠(yuǎn)比人類設(shè)計(jì)的材料和器具更優(yōu)越、更有效，為此催生了后來(lái)仿生學(xué)的發(fā)展。對(duì)于仿生學(xué)的共同認(rèn)可是1960年的美國(guó)第一屆仿生學(xué)研討會(huì)，美國(guó)Jack Ellwood Steele用拉丁文“bion”（生命方式的意思）和字尾“ic”（“具有……的性質(zhì)”的意思）構(gòu)成的Bionics代表仿生學(xué)。對(duì)于仿生材料的制作方式簡(jiǎn)單的概括有2種模式，一種是通過(guò)模仿制作生物結(jié)構(gòu)或形態(tài)的材料，例如仿生物體骨骼、仿生空心材料、仿生離子通道等；另一種為模仿生物的特殊功能，使其滿足人們所需求而制備的仿生材料，例如模仿蜘蛛絲制備而成的超韌纖維、模仿荷葉制備而成的超疏水仿生材料、模仿動(dòng)物的貝殼具有的高強(qiáng)度的仿生材料、模仿壁虎腳高黏附性而制備的仿生材料等[1]。然而簡(jiǎn)單的模仿并非解決應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題最好的途徑，難以獲得真正復(fù)制出生物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)組織，尤其在現(xiàn)代納米技術(shù)領(lǐng)域?qū)Υ艘餐漤?xiàng)背，需要一種新的研制方法。在這樣的背景下，遺態(tài)材料（morphology genetic material）應(yīng)運(yùn)而生[2]。

遺態(tài)材料作為材料研究領(lǐng)域里的一個(gè)新概念，從誕生至今近20多年來(lái)，一直受到國(guó)際廣泛關(guān)注，研究發(fā)展不斷提升，如圖1所示?！斑z態(tài)”一詞是“遺傳”和“形態(tài)”二者的組合，即對(duì)生物體“形態(tài)”的“遺傳”。遺態(tài)材料主要指借用自然界億萬(wàn)年優(yōu)化的生物自身多層次、多維的本征結(jié)構(gòu)和形態(tài)面貌作為模板，采用人工耦合處理技術(shù)，通過(guò)生物結(jié)構(gòu)和形態(tài)遺傳，結(jié)合化學(xué)組分的變異，制備出保持具有自然生物精細(xì)分級(jí)形態(tài)結(jié)構(gòu)和面貌的新型結(jié)構(gòu)功能一體化材料。這種材料借助生物進(jìn)化而形成的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以獲得比人工仿生材料功能更為優(yōu)異的材料特性，而且可以獲得比原生物更完備的功能性能[3]。

一、遺態(tài)材料的產(chǎn)生與發(fā)展

遺態(tài)轉(zhuǎn)化形成來(lái)自于生物體自身礦化作用機(jī)理的啟迪。生物礦化是指生物體通過(guò)生物大分子的調(diào)控生成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程，這種現(xiàn)象在自然界是一個(gè)普遍的自然規(guī)律。Mauricio E.Calvo等[4]在基于納米脫層膜的光電布拉格反射鏡研究中總結(jié)出生物自身礦化大體可分為4個(gè)階段：大分子預(yù)組織，礦物質(zhì)在沉積之前需處在為產(chǎn)生組織所具備的反應(yīng)環(huán)境；在有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)控制下，無(wú)機(jī)物與有機(jī)物在界面處形成分子識(shí)別界面；生長(zhǎng)調(diào)制，通過(guò)晶體生長(zhǎng)使得無(wú)機(jī)相組裝，產(chǎn)生亞單元；細(xì)胞加工，在細(xì)胞參與下亞單元組成高級(jí)結(jié)構(gòu)。受這4個(gè)過(guò)程的啟發(fā)，遺態(tài)轉(zhuǎn)化工藝被設(shè)計(jì)出來(lái)。

遺態(tài)材料最早是由Okabe T博士等于1992年研發(fā)出，當(dāng)時(shí)稱為木質(zhì)陶瓷（woodceramics）[5]，是一種用木材或木質(zhì)材料與熱固性樹脂制成的復(fù)合材料在高溫絕氧條件下燒結(jié)制成，其具有以下特點(diǎn)：多孔結(jié)構(gòu)、質(zhì)量輕、硬度高、耐熱性、耐腐蝕、低成本。當(dāng)時(shí)研究木質(zhì)陶瓷用于電傳導(dǎo)，使其作為一個(gè)多孔低溫度導(dǎo)體。該半導(dǎo)體可以受到石墨微晶電子中π電子系統(tǒng)的內(nèi)部相互作用的影響[6]。一些美國(guó)學(xué)者將其稱為生態(tài)陶瓷（Ecoceramics），但認(rèn)為該材料的韌性、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較差，阻礙了其應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。青島大學(xué)的李達(dá)等認(rèn)為隨著技術(shù)的進(jìn)步，木質(zhì)陶瓷將成為如碳纖維及石墨等高技術(shù)碳素材料和傳統(tǒng)木炭中的新型原材料，其各項(xiàng)功能將會(huì)改善并滿足應(yīng)用要求。

二、遺態(tài)材料的應(yīng)用

1.遺態(tài)材料與納米技術(shù)

基于現(xiàn)代生物研究的巨大進(jìn)展，生物分子及生物結(jié)構(gòu)和功能性方面的研究成果也正在快速進(jìn)步，越來(lái)越多的生物學(xué)概念，如自組裝、界面分子識(shí)別、結(jié)構(gòu)進(jìn)化等被不斷導(dǎo)入材料學(xué)，而生物的亞微米級(jí)智能組裝和其宏觀的功能實(shí)施正日益受到科學(xué)界的關(guān)注。通過(guò)優(yōu)化的生物細(xì)胞、核酸、蛋白質(zhì)等來(lái)制造功能性的納米結(jié)構(gòu)及中間態(tài)結(jié)構(gòu)的有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，并用上億年進(jìn)化構(gòu)生出萬(wàn)千奇特的生物組織，而這些生物組織具有目前尖端技術(shù)也無(wú)法合成的精密的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的功能，它們?cè)谏锓肿拥淖R(shí)別、自組裝、復(fù)雜信息處理等方面有著重要的作用，可以被看做是天然的自動(dòng)運(yùn)行的微納米反應(yīng)器。這些具有微納米反應(yīng)器本質(zhì)上是經(jīng)分子水平的編碼基因調(diào)控，引導(dǎo)生物大分子通過(guò)自下而上的自組裝構(gòu)造成所需要的圖模。因蛋白和核酸在亞細(xì)胞水平參與的調(diào)控甚至達(dá)到單納米級(jí)精度，使得這些結(jié)構(gòu)的可控性大大增加，如何仿造及構(gòu)建這類天然存在的特殊結(jié)構(gòu)將成為材料學(xué)的新熱點(diǎn)[6]。

韓國(guó)的Kim等[7]利用ALD（原子層沉積法）以二氧化鈦（TiO2）包覆由肽自組裝成的模板，煅燒除去模板后形成TiO2納米帶。因?yàn)槠涓咝У碾x子/電子傳導(dǎo)性，可以用作鋰電池的電極。利用生物模板法可以將天然生物結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)，使其合成制備擁有微納米分級(jí)多孔氧化物生物性質(zhì)的遺態(tài)材料的簡(jiǎn)便方法。2012年江蘇大學(xué)陳豐博士[8]采用生物模板法，將生長(zhǎng)在自然界普遍生存而且容易獲得、廉價(jià)的材料，如植物樹葉、油菜的花粉、三葉草葉的莖、雞蛋膜、月季花瓣、真菌菌絲體等將其制作成為生物模板，研究了鈰源對(duì)生物模板細(xì)胞膜實(shí)體微米孔和納米細(xì)胞孔虛體結(jié)構(gòu)的雙重有效復(fù)制，構(gòu)建了微米孔與納米孔結(jié)構(gòu)匹配的分級(jí)多孔氧化鈰生物遺態(tài)材料。西北工業(yè)大學(xué)的賀辛亥等[9]認(rèn)為自然界是天然的模板，例如木材、竹子、紙、纖維素等，對(duì)其進(jìn)行仿生合成，使其成為具有生物形態(tài)的碳質(zhì)遺態(tài)材料。在對(duì)氧化錫SnO2/C遺態(tài)材料的顯微結(jié)構(gòu)及性能的影響的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)生物模板整理工藝可有效的調(diào)理和控制遺態(tài)材料的納米結(jié)構(gòu)和性能。此外，采用天然生物模板參與合成納米復(fù)合材料研究，其可以廣泛應(yīng)用到電子顯微鏡、化學(xué)與生物方面的分析技術(shù)、光電子、新材料、醫(yī)藥等領(lǐng)域，分級(jí)結(jié)構(gòu)遺態(tài)納米復(fù)合材料研究，新型天然光子晶體的遺態(tài)納米復(fù)合材料研究等。

2.遺態(tài)材料與石墨烯

自從2004年，英國(guó)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等從實(shí)驗(yàn)室采用機(jī)器剝離分離出石墨烯，近十年來(lái)石墨烯方面的研究已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)展，石墨烯已經(jīng)逐漸開始發(fā)揮著巨大的作用，被廣泛地應(yīng)用到化學(xué)工業(yè)、電子元器件等領(lǐng)域，甚至航天、光學(xué)、儲(chǔ)能、生物醫(yī)藥、日常生活等領(lǐng)域。南京師范大學(xué)的胡耀娟等[10]發(fā)現(xiàn)石墨烯的研究及其應(yīng)用中的核心問(wèn)題，就是如何解決石墨烯生產(chǎn)達(dá)到大規(guī)模、低成本、可控合成及其制備的相關(guān)要求。而目前被廣泛采用的機(jī)械剝離方式方法，經(jīng)驗(yàn)證顯然不能迎合將來(lái)工業(yè)化特點(diǎn)的要求；另一種方法氧化石墨還原法，盡管該方法能夠達(dá)到相對(duì)較低的成本來(lái)生產(chǎn)加工出大量的石墨烯，但是對(duì)于石墨烯的電子結(jié)構(gòu)及其晶體的完好程度都會(huì)受到在其制備過(guò)程中使用的強(qiáng)氧化劑的嚴(yán)重影響，甚至遭到破壞，使石墨烯的電子性質(zhì)遭受到不良的影響，因此，這樣會(huì)在一定程度上限制和影響了石墨烯在微電子器件領(lǐng)域的有效應(yīng)用和發(fā)展?；瘜W(xué)沉積雖然可以制備出面積較大而且性能較為優(yōu)異的石墨烯，可是目前階段的工藝水平還不夠成熟，再加上其較高的成本，從而使其被大規(guī)模采用受到了一定的制約。因此，未來(lái)石墨烯產(chǎn)業(yè)重要的研究方向是如何能夠大量、低成本制備出高質(zhì)量的石墨烯材料以及如何使其更好地發(fā)揮功效。

如今較為明確的石墨烯對(duì)于遺態(tài)材料影響與應(yīng)用方面的研究文獻(xiàn)還很少，在目前材料的發(fā)展大趨勢(shì)下需要考慮結(jié)合石墨烯的應(yīng)用發(fā)展碳質(zhì)遺態(tài)材料，如果將遺態(tài)材料低成本和環(huán)保的特性與石墨烯的高性能結(jié)合，以遺態(tài)材料的制備理念結(jié)合石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)使其更好發(fā)揮良好作用。相信隨著研究的不斷深入和人們相關(guān)需求的不斷提高，彼此將會(huì)建立良好的橋梁。

3.遺態(tài)材料與新能源

由于能源危機(jī)和環(huán)境污染的雙重壓力，煤炭、石油、天然氣等化石能源開始逐步退出歷史舞臺(tái)，取而代之的太陽(yáng)能、生物質(zhì)等新能源將會(huì)被廣為利用，但目前為止面臨的問(wèn)題是其制備工藝和設(shè)備如何能很好的達(dá)到高功效和環(huán)境友好的作用，需要進(jìn)一步探索和研究。例如在太陽(yáng)能的利用中，太陽(yáng)能電池的效率是關(guān)鍵問(wèn)題，上海交通大學(xué)張荻教授等[11]的“遺態(tài)材料”科研小組“啟迪于蝶翅的染料敏化太陽(yáng)能電池的創(chuàng)新研究”在國(guó)際范圍內(nèi)率先提出利用具有精細(xì)分級(jí)的蝶翅作為模板，來(lái)制備染料敏化太陽(yáng)能電池用的TiO2光采集器件。因?yàn)樽匀唤绲奈锓N經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年自然選擇的殘酷競(jìng)爭(zhēng)，已進(jìn)化出了無(wú)數(shù)相應(yīng)的特殊結(jié)構(gòu)。其中生活在寒帶及高緯度地區(qū)的蝴蝶，其翅膀鱗片所具有的微結(jié)構(gòu)，有助于個(gè)體充分、高效地吸收利用太陽(yáng)能，以保持其體溫，維持其物種的延續(xù)。受此啟發(fā)，研究小組設(shè)計(jì)了一種全新的具有高光采集效能的太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極構(gòu)件，并對(duì)此進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。通過(guò)遺態(tài)工藝，以蝶翅鱗片為生物模板，成功獲取了保留原始蝶翅結(jié)構(gòu)的TiO2材料（如圖2所示）。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于普通的TiO2薄膜，具有蝶翅結(jié)構(gòu)TiO2的光吸收率可提高2倍以上，以此為光陽(yáng)極，可以大大提高光采集效率，進(jìn)而有望提高該類太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。該研究巧妙地將自然進(jìn)化的精細(xì)特種結(jié)構(gòu)與功能材料的設(shè)計(jì)、制備一體化結(jié)合在一起，為今后設(shè)計(jì)和制備染料敏化電池提供了全新的設(shè)計(jì)思想和依據(jù)。

4.遺態(tài)材料與節(jié)能環(huán)保

自然界中存在著許多長(zhǎng)期被人們忽視并認(rèn)為是廢物的生物質(zhì)資源，如木質(zhì)紙張、樹葉、大豆秸稈、稻殼、木材碎屑、貝殼、毛發(fā)、骨骼等眾多廢棄物。這些生物質(zhì)一直被人們認(rèn)為是“廢棄物”和“垃圾”，根本原因是人們?nèi)狈?duì)這些廢棄生物質(zhì)資源充分的認(rèn)識(shí)和研究，從而導(dǎo)致了人們認(rèn)知層面上的誤區(qū)，這種誤區(qū)導(dǎo)致了這些廢棄物生物質(zhì)資源長(zhǎng)期的浪費(fèi)，也導(dǎo)致了不同程度的環(huán)境污染。例如，可將農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)和生物材料做成去除工業(yè)廢水中的重金屬元素的吸附劑，如大豆秸稈做吸附劑去除銅離子、稻殼為高分子功能化活性炭除銅離子；將廢棄的木材轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟瑁⊿iC）并與鋁合金復(fù)合，從而簡(jiǎn)易地制備出具有自然木材的分級(jí)結(jié)構(gòu)的SiC/Al復(fù)合材料，這一新型遺態(tài)復(fù)合材料繼承了木材的各向異性，使得自身的性能得到大幅度提高；如果以蛋殼內(nèi)膜為模板，則可以制備具有蛋殼內(nèi)膜交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的金屬氧化物SnO2和TiO2，這些具有三維管道互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氧化物，具有更好的氣體敏感選擇性和溫度敏感性；木質(zhì)陶瓷可以用廢棄的木材合成制備，例如建筑中被廢棄的木料，日常工作和生活所廢棄的紙張，食品加工工業(yè)生產(chǎn)中所廢棄的甘蔗或水果渣等，這可以減少資源消耗和促進(jìn)環(huán)保的作用，因此木質(zhì)陶瓷可稱為一種生態(tài)友好材料。如果用遺態(tài)概念去開發(fā)利用這些材料，從而彌補(bǔ)科學(xué)研究在“廢棄物”再利用方面的不足，改善不良的處理方式，可將其變廢為寶，這也科學(xué)和充分地符合國(guó)家提出的資源再利用、環(huán)境更美好的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為實(shí)現(xiàn)其再利用提供了一條新的科學(xué)有效的途徑。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是納米技術(shù)、基因工程的迅速發(fā)展，“師法自然”并非是簡(jiǎn)單的形式和結(jié)構(gòu)上的模仿，因?yàn)樽匀唤缃?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期適應(yīng)性優(yōu)化與進(jìn)化所形成的內(nèi)在形態(tài)與結(jié)構(gòu)是高效、完美、簡(jiǎn)潔、精致的，而遺態(tài)材料的研制理念是真正實(shí)質(zhì)意義上的仿生材料的開發(fā)與研制，這也會(huì)產(chǎn)生真正意義上的源于自然而高于自然的材料與制備工藝。向自然學(xué)習(xí)的方式是當(dāng)下人們面對(duì)未來(lái)而做出的最佳選擇，也是材料研究與制備上具有長(zhǎng)遠(yuǎn)性與可持續(xù)性的有效途徑。

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