從兔子眼角膜到超級(jí)材料！揭秘智能仿生材料的“自然密碼”
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-04-29 14:57:01
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在材料科學(xué)的演進(jìn)歷程中，智能仿生材料作為新興領(lǐng)域，正以前所未有的態(tài)勢(shì)重塑行業(yè)格局。從對(duì)材料成分、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的傳統(tǒng)研究，到如今綜合制備、加工等多維度的系統(tǒng)探索，材料科學(xué)的每一次突破都推動(dòng)著人類社會(huì)進(jìn)步。而智能仿生材料的出現(xiàn)，不僅滿足了社會(huì)對(duì)材料智能性的迫切需求，更以其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用潛力，成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國防建設(shè)的關(guān)鍵力量。 智能材料作為新型先進(jìn)材料，具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制能力，能對(duì)外部刺激做出適度響應(yīng)。其核心功能涵蓋感知、反饋、響應(yīng)、自診斷、自修復(fù)及自調(diào)節(jié)六大方面。例如，通過感知外界應(yīng)力變化調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，或在受損時(shí)啟動(dòng)自修復(fù)機(jī)制，這些特性使其在復(fù)雜環(huán)境下展現(xiàn)出強(qiáng)大的適應(yīng)性。而智能仿生材料正是在此基礎(chǔ)上，以仿生學(xué)為設(shè)計(jì)靈感源泉，模仿生物體的結(jié)構(gòu)與功能，通過多種材料復(fù)合與多級(jí)次、多尺度的科學(xué)組裝構(gòu)建而成。 自然界為智能仿生材料的研發(fā)提供了無盡的靈感。兔子超親水的眼角膜、水黽超疏水的腿、豬籠草的超潤滑表面等，都是歷經(jīng)數(shù)十億年進(jìn)化篩選出的完美材料體系。科研人員通過對(duì)這些生物特性的深入研究，將其轉(zhuǎn)化為材料設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路，旨在研發(fā)出超越自然能力的智能仿生材料，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的深度融合。 智能仿生材料的多元種類與性能優(yōu)勢(shì) 智能仿生材料的發(fā)展呈現(xiàn)出基礎(chǔ)研究與應(yīng)用緊密結(jié)合的特點(diǎn)，目前已形成仿生超親水、超疏水、超潤滑、減阻、結(jié)構(gòu)、自修復(fù)等六大核心類別，每一類材料都以獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)在不同領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 仿生超親水材料表面與水接觸角小于5°，水滴可自發(fā)鋪展成膜，具備防霧、高效熱交換、自清潔等特性。常見的二氧化鈦、水凝膠等超親水材料，在浸沒式相變液冷散熱中可促進(jìn)氣化更新，在自清潔玻璃領(lǐng)域能通過水膜帶走污漬，滿足高層建筑玻璃維護(hù)等需求。 仿生超疏水材料表面與水接觸角大于150°，水滴呈球形，其低表面能與高粗糙度的特性使其在油水分離、酶?jìng)鞲衅鞯阮I(lǐng)域表現(xiàn)卓越。由該材料制備的分離膜可選擇性透過油相，截留水相，有效解決工業(yè)含油廢水和溢油污染問題；在酶?jìng)鞲衅髦校渌鲁H氣特性可提升檢測(cè)性能。 仿生超潤滑材料受生物體內(nèi)超低摩擦現(xiàn)象啟發(fā)，通過在多孔材料中涂抹潤滑液制備而成。其表面的潤滑油膜對(duì)多種物質(zhì)黏附力極低，在海洋防污領(lǐng)域可替代傳統(tǒng)有毒防污涂料，在防黏附領(lǐng)域能減少黏性物質(zhì)浪費(fèi)，降低產(chǎn)品包裝成本。 仿生減阻材料模仿鯊魚體表盾鱗、蚯蚓非光滑體表等生物結(jié)構(gòu)，可減少運(yùn)動(dòng)物體與流體間的摩擦阻力。在航行器設(shè)計(jì)中，應(yīng)用該材料能提升航速、降低能耗；在地面機(jī)械領(lǐng)域，可解決土壤黏附導(dǎo)致的能耗增加問題，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率 。 仿生結(jié)構(gòu)材料以貝殼、骨頭等生物材料為研究對(duì)象，通過借鑒其多級(jí)有序結(jié)構(gòu)，制備出輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料。如仿貝殼珍珠層的層狀復(fù)合材料，在強(qiáng)度、韌性和硬度上實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，可應(yīng)用于汽車輕量化、高壓電氣裝備絕緣等領(lǐng)域，替代傳統(tǒng)材料。 仿生自修復(fù)材料仿照生物體自愈合原理，能主動(dòng)修復(fù)外力造成的裂紋或缺陷。在輪胎防爆領(lǐng)域，噴涂自修復(fù)材料可防止爆胎；在混凝土裂縫修復(fù)中，可自動(dòng)分泌黏結(jié)液填充裂縫，恢復(fù)材料性能，避免災(zāi)難性事故發(fā)生。 全球競(jìng)逐與中國突破：智能仿生材料產(chǎn)業(yè)的多維發(fā)展圖景 智能仿生材料的研究與發(fā)展受到全球廣泛關(guān)注，各國政府、科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)紛紛布局，推動(dòng)該領(lǐng)域快速發(fā)展。美國國防部成立生物學(xué)特別工作組，聚焦生物新技術(shù)突破；俄羅斯先期研究基金會(huì)支持仿生學(xué)軍事應(yīng)用研究；德國積極推動(dòng)仿生科技產(chǎn)業(yè)化并主導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)制定 。 在企業(yè)層面，眾多初創(chuàng)公司與傳統(tǒng)化工巨頭競(jìng)相投入研發(fā)。美國Bimitech公司研發(fā)仿蜂鳥冷卻風(fēng)扇，加拿大Biome Renewables公司制造仿生風(fēng)力渦輪機(jī)，西班牙BEOnChip公司創(chuàng)建新型體外測(cè)試平臺(tái)。巴斯夫、杜邦等傳統(tǒng)化工企業(yè)則憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完善智能仿生材料的功能化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐，加速商業(yè)化進(jìn)程。此外，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、法國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)等制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為智能仿生材料的規(guī)范化發(fā)展提供了重要依據(jù)。 經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，中國在智能仿生材料領(lǐng)域已躋身世界前列，部分研究方向處于主導(dǎo)地位。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士團(tuán)隊(duì)的仿生超親水/超疏水材料、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)的仿生結(jié)構(gòu)材料等成果均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 國家對(duì)智能仿生材料研發(fā)給予大力支持，國家自然科學(xué)基金委、科技部等多部門部署多項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目，涵蓋能源轉(zhuǎn)換、農(nóng)業(yè)裝備、生物醫(yī)用等多個(gè)領(lǐng)域。《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等政策文件，明確將智能仿生材料列為重點(diǎn)發(fā)展方向，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供政策保障。 在應(yīng)用層面，中國科研成果已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。中科院理化所的仿生超親水材料應(yīng)用于國家超級(jí)計(jì)算中心，提升散熱效率；北京中科賽納的自清潔玻璃應(yīng)用于國家大劇院等標(biāo)志性建筑；吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)的仿生脫附減阻材料在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域節(jié)能減排成效顯著 。這些成果不僅創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，更推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。 展望未來，智能仿生材料將在更多新興領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著5G、人工智能、新能源等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)材料性能的要求將持續(xù)提升，智能仿生材料憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望成為解決技術(shù)瓶頸的核心力量。從自然中獲取靈感，在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)突破，最終走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，智能仿生材料正以蓬勃的生命力，書寫著材料科學(xué)的新篇章，為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步注入源源不斷的創(chuàng)新動(dòng)力。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_573994.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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