闻利平：“仿生”路上 十年一剑

本刊记者 杨 娇

闻利平：“仿生”路上 十年一剑

本刊记者 杨 娇

团队合影

学习鱼类，人类制造了潜水艇；学习鸟类，人类制造了飞机；学习荧火虫，人类制造了荧光灯……自然界的生物经过亿万年的进化形成了许多卓有成效的识别、导航、生物合成、能量转换、控制反馈等完美的功能，其精巧性、灵敏性及高效性等诸多优点令人惊叹。从自然界获得灵感，通过对生物特殊功能的模仿，实现材料的智能化设计，为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的材料，造福人类，也是仿生学的真正魅力。而师法自然，并可能在某些方面超越自然，这是向自然学习的总目标。

作为一名仿生界面材料的研究者，闻利平研究员在仿生纳米通道领域潜心钻研，踏实前行。经过近10年的探索，在仿生纳米通道的设计、制备、功能化及器件构建等方面，摸索出一套行之有效的研究方法，取得了一系列研究成果。但这些成果，并未让他止步，他更多思考的是如何把理论研究进行成果转化，切实为社会所面临的能源危机和健康危机提供一种更准确、更经济的解决方案。

从仿生入手，向自然学习

《韩非子》中曾有载，鲁班用竹木作鸟，“成而飞之，三日不下”。然而，人们更希望仿制鸟儿的双翅，也能够在空中实现自由飞翔。就在400多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行了仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。后来，他们成功设计和制造了一架扑翼机，这就是世界上第一架人造飞行器。

“向自然学习，向生命学习”，从仿生入手探索生命的奥秘，这也成了众多优秀科研工作者的信念。2007年，闻利平进入中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室物理化学专业攻读博士学位，师从仿生大师江雷院士，从事仿生纳米孔道的制备及输运行为研究。2011年，他两次访问日本东京工业大学弥田智一教授研究组，这为他日后应用新材料进行新型仿生纳米通道研究打下了坚实的基础。

生物体内的纳米通道（典型的如离子通道）内半径大约在几个纳米以内，它们会在不同状态下发生特定的空间构型改变从而允许某些特定的离子和分子通过，该门控功能使得它在细胞的信号传导、能量转换、电位调控、物质交换及系统功能调控等基本生物学过程中发挥着极为重要的作用。自然界中的许多生命体都在高效地利用纳米通道结构发挥着各自的功能。比如，许多植物的茎都是中空的多通道微米管，这使其在保证足够强度的前提下输运水分和营养；鸟类的羽毛也具有多通道管状结构，这可以极大地减轻重量；许多极地动物能够在严寒的环境中生存下来，是因为其毛发中含有多通道或多空腔的微纳米管状结构，该结构赋予其卓越的隔热性能。

鉴于生物离子通道的多功能及脱离生命体系不稳定的特征，闻利平仿生制备了固态纳米通道，并对其物质传输行为进行了研究。一维限域可控离子传输的研究不仅有助于了解生命体的奥秘，而且有助于解决与膜材料相关的能源、环境、资源和健康等领域的重大科学问题。围绕一维限域纳米通道可控离子输运的基本科学问题，闻利平提出了一维限域体系离子可控传输的设计思路，构筑了系列一维限域体系，揭示了一维限域离子输运的本质及调控规律，发展了基于新原理、新概念和具有自主知识产权的能量转换器件，为制备新型能源转换体系提供了新思路和方法。

十年磨一剑，致力于能源问题的解决

能源的开发和利用一直贯穿着人类的发展历史，直接关系到人类社会的可持续发展。随着全球人口的不断增长和对生活期望的提高，能源问题已经成为摆在全人类面前最亟待解决的问题。未来的几十年中，找到能够满足地球上日益增长的能源需求的新方法将成为全人类都必须面对的最大挑战之一。

19世纪初，意大利著名物理学家伏特，就以青蛙和电鳗鱼的生物能转变为电能这一非凡的本领为模型，设计出世界上最早的伏打电池，开辟了能源研究的新篇章。这一从仿生现象到仿生原理和仿生器件的研究，至今仍给我们以深刻的启示。作为后来者，闻利平也在仿生学领域寻求着能源问题的突破。

闻利平介绍说，目前应用纳米技术开发的能源体系的转换效率和能量密度还处于比较低的水平，远远不能满足人们日益增长的物质生活和社会发展的需要，成功的实例还较少，制约了新型能源的开发与利用。但也同时证明，在这片领域，还有很大的研究机遇和发展空间。

从博士研究开始，闻利平就着眼于利用纳米科学技术来进行能源问题的解决。利用仿生纳米通道膜，进行离子可控传输与能量转换。然而，他深知研究需要从基础开始，必须了解影响纳米通道功能的每一个因素，并对每一个关键因素都进行细致的分析。从锥状纳米孔的离子传输规律入手，闻利平仔细分析了影响纳米孔功能性的每个因素，取得了一系列代表性的成果，并实现对阴离子、阳离子、金属离子、酸根离子等不同离子形式的门控与传输调节，初步实现了仿生纳米通道对离子的智能调控。

可是，仿生锥状纳米通道也存在一些固有的不足，稳定性不够。怎样才能弥补不足？通过对以往锥状纳米通道的模型仔细推敲，对数据的详细分析，闻利平发现这种“稳定性不足”原来是可以通过纳米通道的形状进行改善的。在锥状纳米通道中，起到功能性的部分主要是锥尖那一小部分功能基团，然而锥状纳米通道由于其形状限制，关键功能区较短，因而影响到了整个纳米通道的稳定性。于是，闻利平带领小组成员，采用延长关键功能区的方式制备出了漏斗状纳米通道。通过对新型结构的纳米通道功能化测试，发现该设计可以很好地实现预期的稳定性增强。

然而，闻利平对自然宝藏的“深挖”还远远没有结束。在模型构建上所取得的成果，还需要进行更多的测试与评估。于是，他开始着手于大面积多孔膜的能量转换体系的建立。通过前期模型构建所摸索出来的经验与知识，最后选择制备具有多重非对称性的漏斗形纳米孔阵列，并将该体系投入盐差发电领域的应用。通过一系列的尝试与实验，闻利平和团队获得了一系列可喜成果，所制备的基于嵌段聚合物的异质多孔膜，在正常海水淡水盐差梯度下，获得0.35W/m2的功率密度，相关成果发表在美国化学会会志上。文章一经发表，便引起学术界的广泛关注，并被各大科研媒体争相报道。目前，该研究团队通过改变材料及组装方式，已经将功率密度提高到3.75W/m2，该数值已接近商业化水平的5W/m2，具有非常广阔的应用前景。通过设计智能材料的结构和化学组成，实现了多通道限域体系离子传输的智能调控，进一步将多通道限域膜材料应用于化学势梯度驱动的先进能源转换器件，为新能源器件的设计提供理论基础和新思路。

爱因斯坦这样说过，在一个崇高的目标支持下，不停地工作，即使慢，也一定会获得成功。从2007年至今，多少昼夜，多少难关，多少付出，恐怕唯有闻利平自己深知。谈起今天的成就，而闻利平最想感谢的却是：多年来妻子和家人的全力支持，导师的引导与启迪，同事及学生们的共同努力……点点滴滴，都让他铭记在心。“接下来的任务还很重，我们唯有脚踏实地，踩稳每一步，以后的路才能更稳、更有力度。”闻利平如是说，在科研的道路上他始终坚守着十年磨一剑……

专家简介：

闻利平，博士，中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学院重点实验室研究员，中国科学院大学未来技术学院教授，博士生导师。2016年度国家自然科学基金委“杰出青年基金项目”获得者。主要研究方向为仿生纳米通道离子可控传输与能量转换研究。多次在国际材料化学会议、亚洲化学会年会、中国化学会年会等国际、国内会议上作邀请报告。主持或作为骨干主持多项基础或重大研究计划项目，至今已发表SCI论文60余篇，英文书籍4章，授权国家专利3项。

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