從荷葉到飛蛾,人類從大自然學習了這麼多!

2020-12-27 蝌蚪五線譜

你戴的珍珠項鍊裡面，蘊藏著巨大的秘密！

你知道嗎？我們的大自然充滿了數不勝數的神奇奧秘，就像是一位淵博的老師，在億萬年的歲月中積累了無數寶貴的知識經驗。千百年來，人類不斷從大自然汲取知識和經驗，逐漸由石器時代、青銅社會和鐵器時代向蒸汽時代、電力時代過渡，最終發展到了現在的資訊時代。這種對大自然的奧秘探索、學習與應用的過程，我們稱之為「仿生學」（Bionics）。

仿生學的重要研究目標之一，就是設計出仿生材料。

為了生存，自然界中的生物各自擁有自己的「獨門絕技」。在搞明白了這些「絕技」的原理之後，科學家們就可以有針對性地設計出功能強大的仿生材料。

例如，超疏水材料的靈感來自於荷葉葉片上的超疏水微納複合結構；

荷葉上的水滴（圖源：維基百科）
荷葉的表面結構（圖源：維基百科）

鯊魚皮泳衣模仿了鯊魚的皮膚，具有可以減小水流阻力的特殊纖維結構，澳大利亞遊泳選手伊恩·索普就是憑藉這種泳衣在2000年雪梨奧運會上打破了三項遊泳世界紀錄；著名的雪梨歌劇院則借鑑了貝殼、蛋殼等薄殼類材料的拱狀結構，這種結構可以將外部載荷均勻地分散開來。

除此之外，科學家們還設計出了許多其它類型的具有強大功能的仿生材料。下面我們就從光學、電學和力學這三個方面了解一下吧！

NO.1 光學仿生材料：蛾眼VS抗反射光學材料

我們在生活中經常遇到這種情況：用相機的閃光燈模式拍攝人像時，人物的眼睛可能會有明顯的反光；用手電筒照射貓、狗等小動物的眼睛時，也能看到明亮的光斑。生物的眼睛一般對直射的光線都具有明顯的反射能力，但是有一種昆蟲的眼睛卻會將光線完全吸收掉，那就是蛾類。蛾類的眼睛上長有成千上萬根以特殊方式排列的細小絨毛，長度只有幾百納米。這些絨毛的長度小於可見光的波長，幾乎可以實現對光線的零反射。

科學家將這種神奇的表面微納結構應用到了不同的光學領域當中，並取得了顯著的成效。例如，科學家G.Hubbard開發出了一種仿蛾眼的圓柱形抗反射微結構，這種結構在可見光範圍內的平均反射率僅為1%；在太陽能電池表面應用仿生蛾眼微納結構，可以顯著提高太陽能的收集效率；將仿生蛾眼微納結構應用於顯示設備的面板，則可以降低面板的反射光強度，從而減少顯示設備的眩光現象。

飛蛾的眼睛（圖源：科普中國）

左側為夏普蛾眼納米塗層液晶面板，可以看到沒有反光現象

NO.2 電學仿生材料：鯊魚vs微弱電場檢測量子材料

1687年，義大利解剖學家斯特凡諾·洛倫茲（Stefano Lorenzini）在鯊魚、鰩魚等魚類體內發現了一種名為「洛倫茲腹壺（Ampullae of Lorenzini）」的器官。這種器官可以通過與海水進行氫離子交換來探測到海水中的微弱電流，具有這種器官的魚類就可以藉此精準地追蹤獵物。普渡大學的科學家們根據這一原理，利用一種稱為「鎳酸釤（Samarium nickelate）」的材料製備出了新型的傳感器，這種傳感器的應用將會大大提高人們海洋探索和海洋環境監測的能力。

洛倫茲腹壺的內部（圖源：維基百科）
新型傳感器（圖源：普渡大學）

NO.3 力學仿生材料：珍珠vs人工珍珠層仿生材料

你知道嗎？珍珠不僅有美麗的外觀，還有著堅強的「內心」。

自然界中的珍珠由一種獨特的多級有序微納「磚-泥」複合結構構成，這種結構使珍珠具有很高的強度和韌性。為了製造出類似的高性能結構，科學家們在最近十幾年提出了許多不同的人工珍珠層材料製備方法。最近，中國科學技術大學的科學家提出了一種製備人工珍珠層材料的多級次增韌機理，創造出了一種高效通用的組裝策略，可以快速大量製備出高性能、大尺寸的仿珍珠層材料。

（圖源：Nature）

從天然珍珠層到人工仿生珍珠層材料

我們在這裡看到的仿生材料僅僅是滄海一粟，科學家們早已在不同領域開發出了大量新奇的仿生材料。相信在不久的將來，這些仿生材料將會陸續揭開神秘的面紗，在日常生活中與我們相見！

參考文獻：

[1] 付躍剛，歐陽名釗，吳錦雙.基於 「蛾眼」靈感的抗反射微納結構表面技術 [J].飛控與探測，2018，1(2)：001-010.Fu Yuegang，Ouyang Mingzhao，Wu Jinshuang.Anti-reflective micro-nano surface technology based on「moth-eye」inspiration[J].Flight Control&Detection，2018，1(2)：001-010.

[2] Zhen Zhang, et al. Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water. Nature, 2017; DOI: 10.1038/nature25008

[3] Gao H L, Chen S M, Mao L B, et al. Mass production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 1-8.

作者：流火

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