【2018-2019化学学科发展报告】仿生材料化学

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过去20年，仿生材料化学学科得到迅猛发展，尤其是仿生超浸润界面材料与界面化学研究，这是由我国科学家引领的多学科交叉的国际前沿领域。该学科已经对传统仿生材料化学的基本原理提出了挑战，正在颠覆着能源、环境、健康、信息、农业等领域诸多重大的关键技术，带动各领域基础研究和应用研究，推动新兴产业的形成和增长，受到各国政府和国际知名企业的高度重视。本专题将以仿生理念为牵引，围绕“仿生材料化学”的关键科学问题，对仿生轻质高强材料、仿生医用材料、仿生能源材料、仿生资源环境材料、仿生微加工技术、仿生界面化学反应等的前沿进展进行系统报告。今年是仿生材料化学专业委员会诞生的第一年，我们希望通过仿生材料化学的专题报告，总结中国仿生材料化学学科研究对化学学科发展的贡献，并对其未来发展方向做出展望。

一、仿生轻质高强材料

自然界中很多生物材料显示出优异的力学性能，主要是由于内部独特的多级次微纳米复合结构和丰富的界面相互作用，这为构筑新型轻质高强材料提供了重要思路。按照材料的维度，仿生轻质高强材料可以分为一维纤维，二维薄膜以及三维块体。近几年，国内外研究人员主要在仿生轻质高强材料的设计原理和组装策略方面取得了一系列创新成果。

1、一维纤维

高性能纤维材料的开发受到越来越多的关注，如何设计和优化其结构-性质-功能的关系仍是该领域的关键问题。

2、二维薄膜

同样受生物材料结构的启发，近年来，仿生高性能薄膜材料的设计与制备方面取得了众多创新性成果。

3、三维块体

相比纤维和薄膜材料，三维块体材料在力学承载结构应用中具有更广泛的空间，近年来，随着仿生结构薄膜材料研究的逐渐成熟，研究人员逐渐将焦点转移到块状仿生结构材料的研究开发中，并取得了系列重要进展。仿珍珠质层状“砖-泥”结构构筑轻质高强高韧性材料始终是仿生材料研究领域的焦点。

二、仿生医用材料

仿生生物医用材料已成为材料领域研究的热点和重点，它是集仿生、纳米技术、新材料科学和医学科学于一身，是仿生学研究的一个重要分支，是材料领域一个重要的、前瞻性的研究方向。

仿生生物医用材料受到各国政府和国际知名企业的高度重视。美国、日本、欧盟等发达经济体都争相针对仿生生物医用材料的科学研究进行了重点布局，并作为“国家关键技术”给与重点支持。国际上许多顶尖高校如哈佛大学、剑桥大学、东京大学等也都积极开展了仿生生物医用材料的系统研究。国际上纳米生物仿生的研究主要集中在仿生矿化、仿免疫癌症等重大疾病精准诊疗材料和仿生人造器官等。

我国在纳米生物仿生领域取得了一系列原创性的重要成果和突破，特别在仿生超浸润界面、纳米生物仿生多尺度界面、仿生多尺度生物粘附界面和纳米生物仿生离子通道等领域处于世界领先水平，并且从基础科研到产业化，我国都走在了国际的前沿。

循环肿瘤细胞（CTC）作为重要的癌症标志之一，其识别检测近年来备受关注，但是由于其在血液中的含量极低，传统的方法由于分离设备昂贵，费时，灵敏度低等局限性，限制了其在生物医学领域的应用，不能满足恶性肿瘤血液检测需求，因此，新型的细胞检测材料与技术的出现显得尤为迫切。王树涛等通过构筑一系列多尺度微纳结构的生物特异性粘附界面来实现血液中稀有细胞分离，包括仿生纳米生物粘附界面，响应性粘附界面，以及仿免疫细胞磁珠等用于临床癌症病人血液的检测。

人体的免疫系统具有免疫监视、防御、调控的作用，当外来物质，如细菌、病毒、纳米粒子等侵入体内，免疫细胞便会感知到危险，从而启动一系列防御机制，最终将外来物质清除。张良方等提出了一个解决该问题的全新的思路——“伪装”。他们直接把生物体的细胞膜取下来包裹在纳米粒子表面，成功将纳米粒子伪装成细胞，逃过免疫系统的监视。

心血管疾病具有患病率高，致死致残率高等特点，严重威胁人类的健康。即使采用最先进的医疗手段，全世界每年因心脑血管疾病死亡的人数也一直居高不下。仿造新一代的血管移植物，模拟天然血管的结构和功能，将成为生物材料的追求，同时将为心脑血管疾病患者带来巨大的福音。

此外，在仿生器官芯片研究方面，通过在微流控器件上仿生构建微器官来替代生物有机体器官，进行药物评估和生物学研究越来越受到人们的关注。

三、仿生能源材料

能源作为社会发展的动力之源，是人类社会赖以生存的基础。然而由于化石能源不可再生，同时大规模开发利用化石能源将引起气候变化、生态破坏等严重的环境问题。因此，开发利用如：太阳能、风能、地热能、盐差能等清洁和可再生能源刻不容缓，也是世界发展的共同议题。我国“十三五”规划明确提出加强现代能源产业体系的建设，坚持自主创新、在能源资源及新型能源材料研发领域取得新突破。自然界中的生命体经过长久以来的进化发展，实现了对能源的高效捕获和转换，如：光合作用利用光系统的系列活性酶实现对太阳能向化学能的转换、电鳗利用生物离子通道放电实现盐差能向电能的高效转换等，这些是人们进行清洁能源开发利用的重要灵感来源。通过向自然学习，构建仿生酶材料和仿生通道膜材料的仿生能源材料研究，近年来业已成为实现高效能源转换的研究热点与潜在突破方向。这里，我们将对近年来最为活跃的仿生通道膜这一仿生能源材料进行进展报告。

自然界中的电鳗能够瞬间释放几百伏高电压进行捕食和自卫。通过研究发现，人们发现这一现象是电鳗通过控制腹部层级排列的离子通道与离子泵中离子的定向传输，从而形成瞬时的电势差，利用大量的跨膜电势差叠加从而实现其高电压释放的功能。科研工作者相继通过模仿生物离子通道构建了一系列人工纳米通道，并将该类材料应用于盐差能捕获，使得该领域获得极大的发展。

“非对称”仿生纳米通道膜，作为一种具有跨尺度、多水平、可调谐的潜力纳米技术，在盐差能转换领域展现了极为优异的性能，为该领域注入了活力。“蓝色能源”的高效利用作为一个高度交叉领域，涉及化学、材料、生物以及纳米流体传输等领域。这一个研究“大舞台”激发了科研工作者的研究热情并吸引越来越多领域的科学家共同研究。在这个舞台上，基础研究科学可以直接应用于提升仿生能源材料的能源转换效率。同时，科学实践也对仿生纳米通道材料的研究不断提出新的挑战与要求。如，对膜性能要求：高的离子选择性、高的离子通量、低的膜电阻、高盐浓度耐受性等；也对膜材料提出了要求：膜材料具有高的表面电荷密度、低的膜阻、合适的空间尺寸、跨尺度多层次的非对称性等。对于该领域的研究思路也应持续保持单通道研究与多通道设计并行发展。一方面，单通道研究将从原理上阐释影响盐差能转换的影响因素以及提升方向；而多通道研究将原理与应用搭建桥梁，揭示从单通道到多通道所出现的新的影响因素，并为盐差能的应用提供物质研究基础。

四、仿生资源环境材料

大气中含有丰富的淡水资源，约占地球表面积71％的海洋蒸发产生的水蒸气为大气提供了充足的淡水储备。实现对大气水源的开发利用，是解决全球范围内水资源短缺的极佳途径。某些生物体，如仙人掌、蜘蛛、甲壳虫等，具备从大气中高效地收集水分的特殊本领。深入探究这些生物的集水机制，并在此基础上开发仿生集水材料，实现集水效率的提升，是近年来国内外仿生材料学研究人员大量关注的研究方向。收集空气中的水，面临的主要挑战是如何控制水滴大小、形成速度及其流向。而通过对仿生集水材料的表面性质与微观结构的优化设计，实现水滴的快速生长和定向传输，是提高集水效率的关键。多年来江雷团队对蜘蛛丝网、仙人掌尖刺等生物结构的微观形貌及性质的深入研究，揭示了生物体表面水的收集与定向输运机制，为开发新一代高效率仿生集水材料奠定了基础。

杨军等从虫子吃塑料的自然生活现象出发，证实了昆虫及其肠道微生物可以高效降解聚乙烯和聚苯乙烯，揭示了细菌能够利用过去被认为不可能生物降解的石油基塑料。仿生超浸润膜材料在环境净化领域尤其是含油污水分离中的应用被广泛研究。随着水排放指标不断提高，传统水处理技术亟需结合功能先进、耐污染性能优异的分离膜来提高含油污水的分离效率。自提出通过构建表面微纳米结构制备超浸润膜并用于高效油水分离以来，超浸润油水分离膜的研究受到极大关注，研究论文数量快速增长，但适用于原油等高粘油分离的超浸润分离膜却鲜有报道。2016年靳健等报道了对高粘油具有水下超疏、超低粘附特性的离子化水凝胶修饰的高分子膜，成功解决了含原油污水分离的难题，阐明膜表面离子化凝胶层的强水合性是其优异疏油性能的原因。

具有高效抗污和减阻性能的表面在船舶、航空机械和防冰等领域有着重要应用和广泛的需求。由于采用防污剂等传统的防污涂层材料会对环境造成二次污染，采用仿生的原理来设计和制造具有优异抗污性能和减阻性能的表面一直是研究的热点。许多海洋生物，例如鲨鱼、海豚等，其表皮上具有特殊的微结构和粘液组分，从而赋予这些海洋哺乳生物表皮优异的抗污染和减阻性能。因此，利用仿生原理设计合理的表面微结构结合表面化学性质调控，形成亲水性低表面能表面是获得对污染物具有低粘附特性表面的关键。

五、仿生微加工技术

光电子器件的微型化和集成化制备是新一代信息技术的主要发展方向。“十三五国家科技创新规划”将光电子器件和集成列为重点发展的方向。针对信息技术在速率、能耗和智能化等方面的核心技术瓶颈，研制满足高速光通信设备所需的光电子集成器件，符合国家发展安全智能的新一代信息技术的需求。然而光电功能材料在微纳加工方面依然面临很大挑战。本报告将在对国内外光电功能材料加工技术现状进行综述的同时, 重点对国内光电功能材料加工技术相关最新研究进展进行总结,着重介绍基于超浸润界面的有机材料微纳加工技术，通过在界面对流体的精准分割和定向输运实现对有机微单晶的成核和生长过程操控，实现大面积阵列化制备，最后对这方面研究的未来发展方向进行展望。

有机光电材料相比于传统的无机半导体，具有性能可调控范围广、价格低廉适宜大面积应用、器件加工成本低、可用于柔性可穿戴器件等优势，《中国制造2025》已将有机发光显示的发光材料、薄膜晶体管阵列作为新一代信息技术重点发展。然而，由于有机分子不耐高温和溶剂，传统无机材料的集成技术，如光刻技术(Photolithography)、电子束直写(Electron-beam direct writing)技术等，不能和有机光电器件的集成相兼容。由于有机光电功能材料大多需在条件温和的液相条件下进行组装，而液相中材料的随机成核和无序生长很难调控，因此针对有机激光材料的图案化和集成技术研究还非常有限。目前国内外现有的有机材料微纳加工技术，如喷墨打印(inkjet printing)、软微影(soft lithography)、纳米压印(nanoimprinting)等，已广泛用于电子器件的加工。但是，受到“咖啡环效应”的制约，在上述的图案化工艺中，微纳液滴的三相接触线被钉扎或进行各向同性的退浸润，溶液中的质量传输是无序的，导致制备的材料结构边缘缺陷较多，极大影响了后续器件的性能，因此开发新一代高质量、高精度的微纳加工技术对有机光电功能材料从基础研究走向实际应用具有重大的意义。

江雷团队长期从事特殊浸润性界面材料的制备和应用。在微纳米结构图案化领域，发现超疏水、高粘附的微柱界面可以诱导液体形成毛细液桥阵列，最终液桥蒸发，形成微纳米结构阵列。通过调控液膜的分割位点和收缩方向可实现对结构单元的精准有序组装，这项创新技术的发展是有机光电功能材料在器件化微加工领域的重大突破。

六、仿生界面化学反应

以超浸润界面为基础制备的仿生特殊浸润界面材料因为其特殊的结构和浸润性，能够实现对流体的排斥、吸引、引导等作用，从而达到优化操控流体行为的目的，进一步影响流体物理形态、流动方向和相态转化过程，实现在化学反应过程中的应用。仿生界面化学反应得益于界面限域作用，通常具有比体相反应更为优越的性能。然而，这种纳米限域增强反应性能的本质机理仍不明确。这成为界面催化反应领域的一个有待解决的挑战性难题。

1、超浸润界面化学反应

近年来，超浸润界面化学反应研究取得了很好的进展。通过调控界面的浸润性，构筑了包括一维纳米纤维/纳米管、二维纳米片及三维微纳复合等不同结构的超浸润界面，用于光/光电催化反应，生物电/光电催化反应等多个领域。

2、定向输运智能催化

纳米限域界面催化反应领域已经取得较大进展。其中1D通道内的纳米限域界面催化反应研究最为广泛，包括碳纳米管(CNT)、金属氧化物纳米通道、介孔材料纳米通道、多孔氧化铝膜纳米通道等。作为纳米反应器的2D纳米通道包括石墨烯和还原氧化石墨烯等，3D纳米通道有沸石分子筛和Nafion膜等。由于纳米限域效应，通道内的纳米限域化学反应一般表现出比体相反应更加优异的性能。

3、量子限域超流体有序组装反应

生命体当中各种各样的酶催化生物合成，例如光合作用、细胞呼吸、ATP合成、DNA复制等，本质上都是一种高度有序的程序化反应过程，兼具高效率和高产率。生命体中存在的如此高效和精确的程序化组装反应，可以启发我们更好地理解高效纳米限域化学反应的本质机理。

总之，依托物理、化学、材料、生物、信息等多种学科融合，着重开展新型仿生轻质高强材料、仿生医用材料、仿生能源材料、仿生资源环境材料、仿生微加工技术、仿生界面化学反应等的设计、表征和基础应用研究。基于当前存在的技术瓶颈和未来设计的目标，发展高效生物传感器材料、高效生物液体或流体分离材料、高性能纳米复合结构材料、高效能源转换材料、高性能界面催化材料、高效可控液体分离材料、环境友好农药制剂材料、高性能抗粘附材料、高精度高集成度有机光电材料等材料制备技术，为“十四五”至2035仿生材料化学学科建设提供重要的基础材料和关键性技术支撑。

七、撰稿团队

《2018-2019化学学科发展报告》的专题报告“仿生材料化学”部分由中国化学会仿生材料化学专业委员会组织编撰，由委员会主任江雷院士领衔完成撰写。撰稿人包括：

江 雷 中国科学院理化技术研究所

俞书宏 中国科学技术大学

王树涛 中国科学院理化技术研究所

闻利平 中国科学院理化技术研究所

靳 健 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

刘明杰 北京航空航天大学

程群峰 北京航空航天大学

吴雨辰 中国科学院理化技术研究所

中国化学会

Chemsoc

原标题：《【2018-2019化学学科发展报告】仿生材料化学》

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