从荷叶到飞蛾,人类从大自然学习了这么多!

作者:流火来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-03-04

你戴的珍珠项链里面,蕴藏着巨大的秘密!

你知道吗?我们的大自然充满了数不胜数的神奇奥秘,就像是一位渊博的老师,在亿万年的岁月中积累了无数宝贵的知识经验。千百年来,人类不断从大自然汲取知识和经验,逐渐由石器时代、青铜社会和铁器时代向蒸汽时代、电力时代过渡,最终发展到了现在的信息时代。这种对大自然的奥秘探索、学习与应用的过程,我们称之为“仿生学”(Bionics)。

仿生学的重要研究目标之一,就是设计出仿生材料。

为了生存,自然界中的生物各自拥有自己的“独门绝技”。在搞明白了这些“绝技”的原理之后,科学家们就可以有针对性地设计出功能强大的仿生材料。

例如,超疏水材料的灵感来自于荷叶叶片上的超疏水微纳复合结构;

荷叶上的水滴(图源:维基百科)

荷叶上的水滴(图源:维基百科)

荷叶的表面结构(图源:维基百科)

荷叶的表面结构(图源:维基百科)

鲨鱼皮泳衣模仿了鲨鱼的皮肤,具有可以减小水流阻力的特殊纤维结构,澳大利亚游泳选手伊恩·索普就是凭借这种泳衣在2000年悉尼奥运会上打破了三项游泳世界纪录;著名的悉尼歌剧院则借鉴了贝壳、蛋壳等薄壳类材料的拱状结构,这种结构可以将外部载荷均匀地分散开来。

除此之外,科学家们还设计出了许多其它类型的具有强大功能的仿生材料。下面我们就从光学、电学和力学这三个方面了解一下吧!


NO.1

光学仿生材料:蛾眼VS抗反射光学材料 

我们在生活中经常遇到这种情况:用相机的闪光灯模式拍摄人像时,人物的眼睛可能会有明显的反光;用手电筒照射猫、狗等小动物的眼睛时,也能看到明亮的光斑。生物的眼睛一般对直射的光线都具有明显的反射能力,但是有一种昆虫的眼睛却会将光线完全吸收掉,那就是蛾类。蛾类的眼睛上长有成千上万根以特殊方式排列的细小绒毛,长度只有几百纳米。这些绒毛的长度小于可见光的波长,几乎可以实现对光线的零反射。

科学家将这种神奇的表面微纳结构应用到了不同的光学领域当中,并取得了显著的成效。例如,科学家G.Hubbard开发出了一种仿蛾眼的圆柱形抗反射微结构,这种结构在可见光范围内的平均反射率仅为1%;在太阳能电池表面应用仿生蛾眼微纳结构,可以显著提高太阳能的收集效率;将仿生蛾眼微纳结构应用于显示设备的面板,则可以降低面板的反射光强度,从而减少显示设备的眩光现象。

飞蛾的眼睛(图源:科普中国)

飞蛾的眼睛(图源:科普中国)

左侧为夏普蛾眼纳米涂层液晶面板,可以看到没有反光现象

左侧为夏普蛾眼纳米涂层液晶面板,可以看到没有反光现象(图源见水印)


NO.2

电学仿生材料:鲨鱼vs微弱电场检测量子材料 

1687年,意大利解剖学家斯特凡诺·洛伦兹(Stefano Lorenzini)在鲨鱼、鳐鱼等鱼类体内发现了一种名为“洛伦兹腹壶(Ampullae of Lorenzini)”的器官。这种器官可以通过与海水进行氢离子交换来探测到海水中的微弱电流,具有这种器官的鱼类就可以借此精准地追踪猎物。普渡大学的科学家们根据这一原理,利用一种称为“镍酸钐(Samarium nickelate)”的材料制备出了新型的传感器,这种传感器的应用将会大大提高人们海洋探索和海洋环境监测的能力。

洛伦兹腹壶的内部(图源:维基百科)

洛伦兹腹壶的内部(图源:维基百科)

新型传感器(图源:普渡大学)

新型传感器(图源:普渡大学)


NO.3

力学仿生材料:珍珠vs人工珍珠层仿生材料

你知道吗?珍珠不仅有美丽的外观,还有着坚强的“内心”。

自然界中的珍珠由一种独特的多级有序微纳“砖-泥”复合结构构成,这种结构使珍珠具有很高的强度和韧性。为了制造出类似的高性能结构,科学家们在最近十几年提出了许多不同的人工珍珠层材料制备方法。最近,中国科学技术大学的科学家提出了一种制备人工珍珠层材料的多级次增韧机理,创造出了一种高效通用的组装策略,可以快速大量制备出高性能、大尺寸的仿珍珠层材料。

从天然珍珠层到人工仿生珍珠层材料(图源:Nature)

从天然珍珠层到人工仿生珍珠层材料(图源:Nature)

我们在这里看到的仿生材料仅仅是沧海一粟,科学家们早已在不同领域开发出了大量新奇的仿生材料。相信在不久的将来,这些仿生材料将会陆续揭开神秘的面纱,在日常生活中与我们相见!


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参考文献:

[1] 付跃刚,欧阳名钊,吴锦双.基于 “蛾眼”灵感的抗反射微纳结构表面技术 [J].飞控与探测,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.


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