从自然中寻找灵感是科学研究的一条捷径——记中科院化学所有机固体院重点实验室功能界面材料小组

日期 2006-04-17　来源：科学时报　作者：张双虎　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　最近，在国家自然科学基金委、中国科学院和科技部的支持下，中科院化学所有机固体院重点实验室功能界面材料小组捷报频传，先是与光化学重点实验室的研究人员合作，制备出具有浸润、变色双功能的“光开关”氧化钨薄膜，并将成果发表在德国《应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。此后，该小组又在制备稳定超疏水的金属表面研究中取得突破，成功制备金属超疏水薄膜，将成果发表在《先进材料》(Adv. Mater.)上。　　这种“光开关”氧化钨薄膜是采用电化学沉积的方法，制备出的纳米结构氧化钨薄膜。据该小组研究人员介绍：通俗地说，“光开关”是指这种材料在光照前后，会呈现不同的“亲水”和“疏水”特性。当我们想在材料某一位置表现出“亲水”特性时，就用紫外光照射，水珠就会在材料表面铺展开来，从而实现用“光”来控制(开关)的功能。实验中，研究人员将该薄膜交替地暴露在紫外光和黑暗中，有效地实现了光致变色和光诱导浸润/去浸润两种开关性质的有效结合。　　“该研究结果为开发新型的多功能响应的界面材料提供了新的思路，将来可应用于液体定位等很多方面。”一位工作人员介绍说。另一项成果是该小组在结合之前电沉积和自组装单层技术，有效控制金属铜表面的浸润性的基础上，利用生物矿化启发的形貌生成技术，发展了一步浸泡法。在金属表面构筑了非常稳定的超/疏水薄膜(接触角约为162°，滚动角小于5°)。而且，得到的超/疏水薄膜具有很好的环境稳定性(暴露在空气中几个月保持性质不变，即使遇到有机试剂也能保持很好的超/疏水性)。　　由于仿生超/疏水表面在工农业生产和日常生活中有广泛的应用，近年来引起了研究人员高度关注。虽然人们利用具有低表面能的氟硅烷、疏水的聚合物等制备了一系列超/疏水表面，然而金属表面的超/疏水性问题一直未得到有效解决。“一步浸泡法的特点是方法简单、廉价，可大面积制备，这一成果对于金属的自清洁和防腐蚀有着重要的意义，具有很好的应用前景。” 　　向自然学习，从自然中获得灵感和解决问题的思路，是现代科学研究的重要途径之一。研究小组负责人表示：“1999年科研小组成立后，几项成果都是在自然中找到灵感，从具有特殊表面性能的生物体出发，在受到生物特性的启发下做出的。” 　　2002年，研究小组通过对荷叶表面存在的微/纳米结构的研究，发现了荷叶超/疏水自清洁的机理。同时在研究中发现水稻叶表面微/纳米结构的定向排列是其表面存在液滴各向异性的滚动的主要原因。这两项成果证实了微/纳米结构是产生超双疏性质的必要条件，微米及纳米结构的排列直接影响水的运动趋向。前者对研制自清洁材料有重要的意义，后者将在DNA芯片及微流体系统中得到重要应用。相关论文发表在《先进材料》(Adv. Mater.)上。　　此后，研究小组通过对水黾腿部微结构的研究，揭示了水黾稳定的水上运动特性是源于特殊的微/纳米结构和油脂的协同效应。这一发现对设计动态超/疏水表面、进而研制新型水上交通工具都有指导意义。Science、C&EN和National Geographic News等多家刊物进行了报道。2005年，研究小组模仿壁虎的脚部结构，利用聚苯乙烯通过氧化铝模板，制备了聚苯乙烯纳米管阵列薄膜。成果在《先进材料》(Adv. Mater.)上发表后，被Nature杂志以News & Views的形式进行了报道。　　近年来，小组发表SCI论文100余篇，其中Nature 1篇，Angew. Chem.12篇，JACS 6篇，Adv. Mater. 13篇。分别被Accounts of Chemical Research和Adv. Mater.邀请撰写综述文章。主要成果获2004年北京市科学技术一等奖，2005年国家自然科学二等奖。在应用基础研究方面，申请专利70余项，其中授权31项。由于该研究小组多年来一直致力于仿生纳米界面材料的研究，其研究成果得到国内外同行的关注。　　“生物在地球上的历史有几百万甚至几十亿年。物竞天择，在自然选择中生存下来的物种都有它存在的道理。向自然学习，寻找其中规律性的东西不失为科学研究的一条捷径。”研究小组负责人说，功能界面材料小组所进行的研究力图使“纳米技术和传统产业改造相结合”。这方面不能急功近利，研究小组正是在国家自然科学基金较少的限制和中科院知识创新工程良好的氛围中，通过对自然界中植物、昆虫等具有疏水性表面的微观结构进行研究，实现了从源于自然，实现了仿生制备；到超越自然，使研制的材料具有特殊浸润性的功能。在这种“向发达国家学习，不如向自然学习”的思想的指引下。该小组的研究在仿生纳米领域作出了不错的成绩。