Adv. Mater. 8月最新封面綜述：仿生材料的微納制造

當地時間8月6號，Advanced Materials更新最新一期周刊，其封面文章是一篇關于模仿自然結構的方法的綜述，題為“Bioinspired Materials: Nano/Micro-Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures (Adv. Mater. 30/2016,DOI: 10.1002/adma.201505555) ”，作者為美國德克薩斯A&M大學機械工程學部的Jaime C. Grunlan、Chaoqun Zhang等人。

近幾年，仿生材料堪稱一大研究熱點，此文針對AM這篇封面綜述，做簡要介紹，詳細內容會在《仿生智能納米材料》讀書筆記中陸續推出。

這篇Adv. Mater.的封面挺有意思，“恩，是挺像高跟鞋的”，想啥呢？我說的不是這個有意思，不全是。。該文章作者所在學校的名稱中有“A&M”，全稱為“Texas A&M University”，中文名叫“德克薩斯A&M大學”，至今還有地方把其翻譯為“德州農機大學”，人家官網上說的明明白白，保留A&M只是作為一個符號，彰顯其尊重傳統，而不再代表“ Agriculture and Mechanical”。

《史記?》有云：“地勢便利，其以下兵于諸侯，譬猶居高屋之上建瓴水也。”綜述本來就是俯瞰眾生的感覺，本文脈絡如下（快夸我，快夸我(^_^)∠※）：

這也太簡單了，吶再給你一個，附送超級無敵萌萌噠鄙視小眼神。

1. 典型的天然材料

綜述中對該部分只做簡要介紹，因此，該部分只上圖，不說話，大家有個直觀印象就好。感興趣的敬請關注七個隆冬小強強的系列讀書筆記。

1.1 ?珍珠層和骨骼

From：Nat. Mater. 2015 , 14 , 23

From：小強強

From：Nat. Mater. 2015 , 14 , 23

From：小強強

1.2 花瓣和壁虎腳

From：Langmuir 2008 , 24 , 4114

From：Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005 , 102 , 385 .

1.3 荷花

From：Applied Physics Letters, 2008, 92(18): 183103.

這個地方順便提一下，AM綜述有個小槽點，就是圖片特別不清晰，需要到參考文獻去找原圖。誒喲，發現了該文一點不嚴謹，參考文獻第12條，你是在逗我嗎？？！！！（考驗學術水平高低的時候到了，論你是否能發現參考文獻12條的小問題？(/ □ \)）好吧，人非圣賢，孰能無過。雖然給讀者朋友帶來一點麻煩，但還是可以理解，畢竟本文參考文獻286篇。現將正確文獻資料放在下面，以饗讀者。

From：Adv. Mater., 28: 6292–6321

Liu K, Zhang M, Zhai J, et al. Bioinspired construction of Mg–Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(18): 183103.

1.4 蛇尾和大閃蝶

From：Planta 1997 , 202 , 1 .

2 仿生雜化材料

篇幅所限，每種材料只舉一個例子。

2.1 結構材料

From：Nat. Mater. 2011 , 10 , 123 .

上圖為工程材料的強度-韌性關系圖。聰明的你一定知道，強度高的材料往往易碎、韌性高材料往往很軟。拿陶瓷來說，楊氏模量是最高的，但是韌性卻很差。通過引入韌性高的相，可以提高其韌性，但是強度卻不可避免會下降。受珍珠層和骨頭層狀的有機-無機雜化結構啟發，人們開發出多種合成制備雜化材料的方法，比如：逐層自組裝和冰模板法。貼出一張骨頭、珍珠層和一些仿生雜化材料的組成和機械性能一覽表。

?From：Adv. Mater., 28: 6292–6321

2014年，Bourville 等，利用改進的冰模板方法，把所有組分組合在初始的懸浮液中，制備了層狀塊狀材料。該材料完全是無機的，高溫和室溫下均高強高韌。給大家膜拜一下這個這位寶寶，該陶瓷復合物強度470MPa，史無前例；室溫下韌性達到22MPa。完虐珍珠層啊有木有。更重要的是，更重要的是，更重要的是，該寶寶在600℃時強度400MPa，韌性20MPa。怪不得人家能發nature子刊呢。

From：Nat. Mater. 2014 , 13 , 508 .

2.2 粘附材料

我問你，為什么壁虎能沿著墻壁橫著爬、豎著爬、正著爬、倒著爬？簡直就是現實版的蜘蛛俠？——原因是分子引力。好，了解到這就行了，篇幅有限，以后有機會詳細說撒。

Qu等通過低壓CVD（化學氣相沉積法），在SiO2-Si晶片合成了豎直規整排列的多壁碳納米管陣列。產物剪切粘接強度約為100N?cm-1，是壁虎腳的10倍。

From：Science 2008 , 322 , 238 .

2.3 超疏水材料

提起超疏水材料，馬上就能想起來荷花，出淤泥而不染，濯清漣而不妖。這是由于荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟。這種特殊的結構有助于鎖住空氣，進而防止水將表面潤濕。Joanna Aizenberg等于2011年發表一篇nature，仿照豬籠草的疏水策略，開發出了一種極為光滑的涂層材料，幾乎能排斥包括血液、油在內的任何液體，甚至在高壓、冰凍等極端環境條件下，仍能保持排斥液體或固體的能力。Ivan P. Parkin等受前者啟發，于2015年發表一篇science，合成一種對水和油均能自清潔的涂層。這個研究的關鍵并不在于把超疏水表面做到多強多耐磨，而是提供了一種思路——將超疏水領域的“脆弱”的弱點交給更加成熟的黏膠技術去克服。

?From：Science 2015 , 347 , 1132 .

2.4 光激性材料

防反射、光采集、結構顏色變化等都是光激性材料。下面簡單介紹一下防反射。大多數光學玻璃和光學塑料的折射指數為1.45-1.7，這就導致了在空氣-固體界面，4%-6.5%的入射光被反射掉。可見防反射是多么重要。

武漢光電國家實驗室的唐江教授課題組及合作者成功制備出光電轉換效率達5.6%的頂襯結構硒化銻薄膜太陽能電池，并得到Newport公司的第三方權威認證；器件也顯示出較好的穩定性，在雙85條件下 (85 ℃, 85%的相對濕度)老化100小時，未封裝器件效率僅衰減0.50%。

?From：Nature Photon., 2015 , 9 , 355

3 總結和展望

億萬年的進化，自然界中藏龍臥虎，各懷絕技。人類虛心學習，大膽創新，甚至青出于藍而勝于藍。前景遠大、前途光明、就像牛頓先生所說，“我好像是一個在海邊玩耍的孩子，不時為拾到比通常更光滑的石子或更美麗的 貝殼而歡欣鼓舞，而展現在我面前的是完全未探明的真理之海。”

再次聲明：本文只做極簡單介紹，詳細內容會在《仿生智能納米材料》讀書筆記中陸續推出。

參考文獻：

1. Nat. Mater., 2015 , 14 , 23.
2. Nat. Mater., 2015 , 14 , 23.
3. Langmuir, 2008 , 24 , 4114.
4. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2005 , 102 , 385 .
5. Applied Physics Letters, 2008, 92(18): 183103.
6. Adv. Mater., 28: 6292–6321.
7. Planta, 1997 , 202 , 1 .
8. Nat. Mater., 2011 , 10 , 123 .
9. Adv. Mater., 28: 6292–6321
10. Nat. Mater., 2014 , 13 , 508 .
11. Science, 2008 , 322 , 238 .
12. Science, 2015 , 347 , 1132 .
13. Nature Photon., 2015 , 9 , 355.

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