“构筑”神奇的仿生世界——记北京航空航天大学化学与环境学院赵勇教授

本刊记者 李明丽

“构筑”神奇的仿生世界
——记北京航空航天大学化学与环境学院赵勇教授

本刊记者 李明丽

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。仿生学家根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。

早在上世纪40年代，人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发生了很大变化。

19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏特电池。

五彩的蝴蝶锦色粲然，重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶，科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。

科技发明的最终目的，是为了使我们掌握方法、获得工具，在最短时间内通过最佳途径，到达目的地。那些致力于科技发展的人，努力探寻捷径，推动世界飞速发展。他们像一个个魔术师，展示着令人眼花缭乱的“魔术”，让世人震惊而获益。

赵勇，就是这样一位魔术师，他将自己所有的热爱和精力，以一种深沉的感情，将仿生材料学推到了一个全新的高度。

蛛丝奇迹 神奇的仿生

达芬奇说过：“人类的灵性将会创设出多样的发明来，但是它并不能使得这些发明更美妙、更简洁、更明朗；因为自然的物产都是最恰到好处的。”但是，仿生学的典范成就并非来自对自然的模仿，而是努力探究自然系统背后的原理与机制，然后对其加以具体应用的结果。

蜘蛛丝是大自然几亿年进化中创造的奇迹，具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂功能，以及轻盈、耐紫外线、生物可降解等优点，是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。近年来美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国先后对蜘蛛丝进行了深入的研究。但是，对于雾气中的蜘蛛丝能够悬挂大量水滴这一常见现象却从未被关注。

受这一现象启发的赵勇，利用光学显微镜和电子显微镜对蜘蛛网进行了观察，发现筛孔蜘蛛的捕捉丝在遇到雾而润湿时，能由纳米纤维组成的蓬松和链结构变成周期的纺锤节结构和纤细的链接结构。在纺锤节上形成无序分布的纳米纤维，而在链接上则形成有序排列的纳米纤维结构。这些结构特性在纺锤节和链接之间形成了表面能量梯度，同时由于曲率梯度还产生拉普拉斯压差，正是这些微观多结构的耦合，产生两个梯度的力协同地作用于小尺度液滴上，使蜘蛛丝能够实现一个连续的水凝结传输过程，其结果是较大的水滴能够被快速而高效的收集，对蜘蛛丝高效定向集水机理揭示的重要科学意义在于解决了以往在小尺度液滴驱动上的瓶颈问题。

从实际应用的角度来说，仿蜘蛛丝集水的“多协同效应”机制的多级结构材料将对于设计大规模的人造纤维网以收集雾水，满足水源缺乏地区人们的淡水需求具有重要意义；此外，还可以设计纤维网状材料，以用到局部地区除雾、工业加工和生产过程中的浮质过滤等等。

2010年2月，以赵勇教授为通讯作者完成的论文——“蜘蛛丝的方向性集水效应”，作为封面文章发表在国际权威刊物Nature 2010, 463, 640上，发表后立即引起世界各大媒体的广泛关注：包括Nature新闻网，《科学美国人》、《探索》杂志，英国广播公司，材料研究协会、英国皇家化学会网站，俄罗斯科学网，新华网等都对该工作进行了报道。

美国怀俄明州大学的R a n d o l p h Lewis 教授评价说“这项研究的有趣之处是这种（集水）效应完全是由于纤维本身。蜘蛛丝有一种特性，就是不被任何材料所匹配，如果我们能了解到怎样去匹配这个特性，我们将会研制出一种较高性能并具有广泛应用前景的绿色材料。”

“中国科学家在正确的方向上迈出了重要的一步。”

荷花何以出淤泥而不染？是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。这是“荷叶效应”能自洁叶面的奥妙所在。荷叶自清洁效应可以使我们不必再去清洗汽车或门窗，这听起来很动人，但是实际上还有很长的路要走。

为了实现这样的目标，在艰苦的探索后，赵勇及其团队注意到传统的制备超疏水自清洁表面的方法通常需要复杂的步骤且多限于实验室规模。因此，他们认为静电力制备技术有望成为制备超疏水表面的新方法。基于此设想，他们通过调节电场力与液体表面张力及高分子溶液粘弹性三者之间的关系，得到了不同表面形貌的薄膜，并研究了其浸润性。

他们首次报导了电纺仿生制备具有多孔微球与纳米纤维复合结构的类荷叶自清洁效应的超疏水薄膜，为低成本大规模制备自清洁表面提出了一种有效的新方法，成果发表在Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,4338上，被选为Wiley Newsworthy，编辑评价“荷叶自清洁效应可以使我们不必再去清洗汽车或门窗，这听起来很动人，但是实际上还有很长的路要走。中国科学家在正确的方向上迈出了重要的一步。”

该方法现已成为超疏水自清洁材料制备的经典方法之一，该文章已被他引280次。美国MIT著名高分子科学家Robert. E. Cohen利用到他们提出的方法，在此基础上，进一步制备了可以随温度变化实现超疏水与超亲水之间可逆转变的智能响应薄膜，这为低成本制备智能开关材料提供了一种新方法。

“仿生的一大进步”

自然界中的生命体经过长期进化，通过适应生存环境，生物材料的结构与功能已达近乎完美的程度。因此，仿生制备具有多级结构的功能材料是材料科学发展的重要方向之一，也是目前国际上研究的前沿热点领域之一。

赵勇及其团队从蜘蛛的多口仿丝器受到启发，在国际上首次提出多流体复合电纺的概念，成功制备了具有独特多通道内部结构的一维微纳米材料，且通道数目精确可控。该工作一方面提出了一种全新的微纳米材料制备方法，另一方面该方法所制备的独特的多通道结构是之前其它任何方法所没有得到过的，从而进一步丰富了微纳米复合结构材料家族。

2007年，该工作发表在J.A m.Chem.Soc.2007,129,764，被选为当期ACS News 及Most-Accessed Articles，并被多家媒体以“一种新型微管制备方法”和“仿生的一大进步”为题进行了相关报道。

美国康奈尔大学的Y.L.Joo教授在Small 2009,5,2323中引用他们的文章评价“这个方法学能够作为一种更为简单和更加可控的手段用于制备纺生多通道结构的微管。”

就像破茧成蝶一样，每一次挣脱束缚都是一种蜕变。跨过这些困难，顶住这些压力，你就前进了一大步。他们总在不断的突破自己，在理想与现实的结合点上，去追求发现的乐趣。

作为一类独特的结构材料，中空胶体粒子吸引了越来越多的注意，这是由于他们在广泛的应用领域具有重要技术价值，例如药物输运，人造细胞，轻质添料，催化，锂电池和化学储能等。

根据对电纺丝和电喷雾的理解，赵勇及其团队进一步扩展了多流体电射流技术的应用范围，发展了一种复合流体电喷雾技术，在国际上首次制备了多空腔和多组分微胶囊。该工作的意义在于可以将多种功能组分一步包覆在同一微胶囊之内并且互不干扰，解决了以往的微胶囊制备技术通常只能一次包覆一种物质的瓶颈(J.Am.Chem.Soc.2008,130,7800)。

C&E News对该工作的评价是“这一技术将在药物输运、材料科学和食品科学中得到应用。而以前的方法若想同样包覆多种组分需要许多的步骤并且很难做到多组分间彼此分开。”多流体电喷的进一步研究工作应邀在Chinese Sci.Bull.2009,54,3147作为封面文章发表，相关工作被中国科学院院士工作局《学部通讯》给予封面报道。

用新观念带好新时代的兵是赵勇团队常打硬仗的关键，而做好一个合格将帅的同时，他还密切关注行业发展、关注国际发展最前沿。从自然生物材料中汲取灵感，仿生制备具有多级微纳米复合结构的功能材料是化学与材料科学发展的重要方向之一，也是目前国际上研究的前沿热点领域之一。在科研工作中勇于创新的赵勇团队将立足仿生材料这一前沿课题，开展“多级结构微纳米复合材料制备及功能研究”。

把成果看作是一个经历，把荣誉看作是一种鼓舞，对于一位在科研殿堂里执着求索的青年科学家来说，也许这是最宝贵的品质，因为拥有一颗淡然而执着的心，才能让自己以荣誉为起点，更坚定地在科研道路上走下去，走出一条越来越宽、越来越远的路。