道法自然，向自然学习，是原始创新科学研究的源泉，是创造新材料和新器件的重要途径，一直在推动着人类社会的发展和文明的进步。
自然界中的动物和植物经过亿万年的进化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。例如，自然界生物表面的特殊浸润、黏附性能，飞鸟骨骼系统具有质量轻、强度大的构造形态，贝壳的珍珠层具有高的韧性和硬度等优异的力学性能，蜘蛛丝兼具独特的高强度、高弹性和高断裂功等机械性能和良好的可降解性和与生物组织的相容性等生物学特性。研究表明，自然界中生物体具有的这些优异的结构和功能均是通过由简单到复杂、由无序到有序的多级次、多尺度的组装而实现。因此，向自然学习是新型高性能纳米复合结构材料发展的重要思路。
具有特殊表面浸润、黏附性能的生物体
自然界生物体中独特的微米、纳米结构赋予其特殊的表面浸润、黏附性能。浸润性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸润性的研究无论在基础研究和工业应用方面都有着重要的意义。
◁ 荷叶的自清洁性。荷叶“出淤泥而不染”及以及一些昆虫翅膀 (如蝉、蜻蜓、蝴蝶翅膀等) 表面的自清洁性，就是由于它们表面特殊的微观结构使固/液界面形成了气膜，水滴不能浸润而达到超疏水性引起的。
◁ 水稻叶的各向异性滚动性。一些生物体如水稻叶、鸭和鹅的羽毛、蝴蝶翅膀等，水滴在其表面具有滚动的各向异性，即沿与表面主干平行和垂直的方向滚动性不同，这与表面微观结构的排列方式有关。
◁ 仙人掌叶的连续雾水收集
◁ 玫瑰花瓣的黏附性
◁ 水黾腿的超疏水力。水黾腿具有超级疏水力使得水黾能够在水上自由行走。
◁ 蚊子复眼防雾性。蚊子的复眼具有很好的防雾能力。
◁ 蜘蛛丝的挂水能力。蜘蛛丝的方向性集水性能。
◁ 水下鱼对油的低黏附性
作者课题组从仿生的角度出发，在研究自然界具有特殊浸润性材料的基础上，构筑多种纳米/微米复合结构的特殊浸润性界面和智能界面，研究纳米材料和结构对表面浸润性的影响，并研究以浸润性为主的多响应性表面、多功能性超疏水表面和控制制备微纳米材料，这些材料在微流体控制、智能视窗、分子分离和分析以及药物控制缓释领域有着很大的潜在应用前景。
自然界中具有光学特性的生物
自然界中的生物拥有各种各样的颜色，但是这些颜色并不都是通过生物体内所含有的色素对光的吸收所引起的颜色，而有些生物如色彩绚丽的孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、天然蛋白石、珍珠等与生物体的微观结构有关，这些颜色是光在生物体的亚微米结构中的反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色。
◁ 孔雀羽毛结构色
◁ 蝴蝶结构色
◁ 天然蛋白石结构色
◁ 甲虫结构色
由于这种颜色与结构有关而与色素无关，因此也称为结构色。结构色中最著名的是光子晶体，是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。例如，蛋白石的组成仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终呈现了绚丽的色彩。对生物结构色中光子晶体的研究，为开发新一代光子材料、存储材料以及显示材料具有重要指导意义。
◁ 北极熊毛吸收红外线性。除了结构色，自然界的很多生物还有其独特的光学系统。北极熊的体色从外表看是白色的，实际上它的皮肤是黑绿色的。电子显微镜研究结果表明，北极熊的毛是空心无色的细管，这些细管的直径从毛的尖部到根部逐渐变大。
北极熊的毛看上去之所以是白色的，是因为细管内表面较粗糙引起光的漫反射所致。当人们利用自然光对北极熊拍照时，它的影像十分清晰，而借助红外线拍照时，除面部外在照片上却看不到它们的外形。可见北极熊的皮毛有极好的吸收红外线的能力，而且具有较好的绝热、保温性能。很多鸟类的羽毛和北极熊毛一样,都具有极为精细的多通道的管状结构。由于其具有优异性能，很多科学家对这种多通道管状结构产生了浓厚的兴趣，仿照北极熊的毛管，可以制成隐形、保温、节能的人造中空纤维。作者课题组在国际上首次提出了多流体复合电纺/喷技术，并成功地制备出了具有仿生多通道结构的TiO₂微米管/球，管/球的通道数/空腔数可以调节，这种技术具有极为广泛的应用前景。
◁ 甲虫侦测红外线。一种名为Melano philaacuminate的甲虫可以感知80 km以外的森林火灾。它们通过特殊的陷窝器来侦测红外线，每个陷窝器都由50～100个15 μm的传感器组成，这些传感器能够吸收波长为3 μm的红外线辐射，而这恰好是一场猛烈的火灾所释放的主要波长形式。火灾所产生的红外线辐射热量使传感器膨胀，从而启动了甲虫的机械性刺激感受器，适时地给予甲虫森林火灾的信息。这种优异的传感能力必将对人类的遥感技术产生深远的影响。
一些昆虫的翅膀及眼睛所具有的减反射性质，也是由特殊的表面微结构引起的。
◁ 蝉翅膀具有减反射性
◁ 蛾的眼睛具有减反射性
生物启发对先进的材料科学和光学系统的创造性设计，已经成为研究人员和科学家的新兴课题。模拟生物体先进的光学系统，利用实用性具有可定制光学特性的聚合物，应用软平板印刷术和三维微尺度处理技术，可以快速构建复杂的设计，如受到光敏性海星的启发设计的微流体双重透镜。
自然界中轻质高强复合材料的微结构
一般来说，材料的性能主要是由它的化学组成及结构共同决定的。对于一种材料来说，由于其化学组成是本身固有的特征，研究材料的结构就变得更有意义了。
通过对骨骼、贝壳、牙齿等的研究发现，这些生物体中最坚硬的部分，其主要组成为各种矿物质，如碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石等。单从这些矿物本身来看，它们没有如此高的强度、硬度或韧性，但在生物体中这些性质却得到了极大的增强。研究发现，骨骼的复杂而精巧的自组装多尺度分级结构，使其具有优异的力学性能。一方面，结构上的多尺度，即胶原质分子由钙化的无机物颗粒联结首尾构成胶原纤维, 胶原纤维之间有由界面聚合物构成的纤维间基质。另一方面，形变时多尺度的响应，表现为矿物质化纤维中的无机物颗粒尺度越小, 其强度越大; 由聚合物组成的类似水凝胶的纤维间基质使纤维间可切向位移, 增加材料结构的韧性，这种界面聚合物可作为发展强韧仿生结构的一种策略。
◁ 鲍鱼贝壳珍珠层的文石与有机质的层状堆积结构。以软体动物的贝壳内层珍珠质为例，其组成为碳酸钙约占95％，其余有机物约占5％。两种材料通过复杂的相互作用而形成高级的自组装堆叠结构，这种结构与建筑上常用的砖泥结构异常相似，它们以碳酸钙晶体单元为“砖”，以有机物（如蛋白质等）为“泥”，通过层层堆砌，最终形成宏观上的贝壳。研究发现，这种结构比普通碳酸钙矿物有着更高的强度和硬度，可以很好地分散外界的压力，从而起到保护和支撑生物体的作用。
◁ 老鼠门牙牙釉质中磷酸钙晶体延长轴平行排列。在老鼠门牙的牙釉质中，可以观察到非常有序的磷酸钙棒状晶体沿长轴平行排列形成晶体束，晶体束再平行排列形成釉柱，最后釉柱平行排列成牙釉质。釉柱长轴延伸方向与牙表面基本垂直。在釉柱与釉柱间以及晶体与晶体间充满着有机基质。这种高度有序的组装使质量分数为95％的矿物得以紧密堆积，从而显示出优良的力学性质。
另外，一些藻类、鱼鳞、动物的骨针、海绵骨骼中还存在着含硅矿物。
◁ 趋磁细菌中氧化铁粒子呈有序排列
◁ 海绵骨针中二氧化硅的片层结构，展示了良好的光学性能和机械性能。
◁ 鲨鱼皮表面的微小鳞状突起结构为减阻提供了灵感。蜘蛛丝的多尺度结构使其具有优异的机械强度和良好的弹性，这种结构使其以最轻质量的材料获得最高的力学性能。例如，用180 μg的材料就可以编织成100 cm²的网以捕捉飞虫。又如，鲨鱼之所以能在水中快速前进，是因为它的皮肤表面排列有序的微小鳞状突起，这些突起在水中具有整流效果，可以减小水的阻力，使鲨鱼成为海洋中游泳的佼佼者。仿照这种结构，在飞机上进行涂层可以使飞机阻力减小8%以上，节约燃料约1.5%。给舰船穿上“鲨鱼皮”，能够克服附着在船体上的海洋生物造成的阻力，提高船的行驶速度，从而大大节省能源消耗。“鲨鱼皮”式游泳衣也被用来提高游泳速度。
◁ 具有高强黏附力的壁虎脚部微结构。壁虎、蜘蛛、苍蝇等能够牢牢吸附于平滑的墙壁、玻璃，甚至能够倒贴在天花板上。
◁ 具有中空结构的鹰骨骼。很多鸟类的羽毛和骨骼都具有极为精细的多通道和多空腔的中空结构。这种复杂精巧的结构能够在保持足够的机械强度的前提下极大地减轻鸟类骨骼和羽毛的重量，正是借助这种结构，鸟类才能借助轻盈的羽毛在天空自由的翱翔。
◁ 具有海绵状结构的啄木鸟头部减震结构。啄木鸟由于其头部中空的微纳米结构可以实现减震耐疲劳性。
人们在了解和掌握生物材料的设计方法以及材料最短长度尺寸的功能后，就可以学会构建轻质、高强度的仿生合成复合材料。这种从生物获得灵感的无机材料合成方法就是所谓的仿生材料合成或者仿生形貌生成方法。例如，如果我们使用比构造出贝壳的原材料强度更高的材料，以其相同的设计，就有希望生产出强度更高的复合材料，用于装甲复合材料系统或机翼复合材料结构。
本文由刘四旦摘编自江雷等编著《仿生智能纳米材料》一书“第一章 仿生智能纳米材料概述”。有删减改动，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-045894-0
仿生智能纳米材料是利用自然的仿生原理来设计合成的具有特殊优异性能的功能和智能材料。它是材料、化学、物理、生物、纳米技术、先进制造技术、信息技术等多学科交叉的前沿研究热点之一。仿生智能纳米材料的设计、可控制备和结构性能表征均涉及材料科学的最前沿领域，代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向，它将对经济、社会、科学技术的发展产生十分重要的影响。
《仿生智能纳米材料》一书汇聚了作者多年来在该领域的研究成果，同时介绍了国内外同行最新的研究进展。本书图文并茂、深入浅出，从具有特殊优异性能的生物原型材料入手，将仿生材料的设计理念、材料结构与功能关系、智能驱动原理及在生产、生活中的应用进行了系统的介绍。
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