19世紀起，科學界對生物分類的收斂性和對于大陸形成及化石地質學的研究發(fā)展迅速，1859年達爾文著作《物種起源》問世，人類對自然生物的認識進入一個嶄新的階段。在該書中，查理·達爾文認為人類的繁衍屬于“非自然”選擇，人類自身發(fā)生著系統(tǒng)性變化，所以野生生物也是一個物競天擇的過程，認為自然選擇過程可以比喻成“自然戰(zhàn)爭”，包括其他動物、寄生物、食物供應、溫度和水源等外界環(huán)境壓力。達爾文的進化論觀點認為，動物和植物進化至今的復雜、精細結構和功能組織，是經(jīng)過在殘酷的自然選擇和不斷抗爭中變異繁衍，是在殘酷的自然選擇過程之下得以生存的結果，這種演變就形成了無窮無盡、美輪美奐、盡善盡美的生命形式和自然物質。

這種經(jīng)過長時間的進化和自然選擇形成的結構和功能遠比人類設計的材料和器具更優(yōu)越、更有效，為此催生了后來仿生學的發(fā)展。對于仿生學的共同認可是1960年的美國第一屆仿生學研討會，美國Jack Ellwood Steele用拉丁文“bion”（生命方式的意思）和字尾“ic”（“具有……的性質”的意思）構成的Bionics代表仿生學。對于仿生材料的制作方式簡單的概括有2種模式，一種是通過模仿制作生物結構或形態(tài)的材料，例如仿生物體骨骼、仿生空心材料、仿生離子通道等；另一種為模仿生物的特殊功能，使其滿足人們所需求而制備的仿生材料，例如模仿蜘蛛絲制備而成的超韌纖維、模仿荷葉制備而成的超疏水仿生材料、模仿動物的貝殼具有的高強度的仿生材料、模仿壁虎腳高黏附性而制備的仿生材料等[1]。然而簡單的模仿并非解決應用領域問題最好的途徑，難以獲得真正復制出生物體的精細結構組織，尤其在現(xiàn)代納米技術領域對此也望其項背，需要一種新的研制方法。在這樣的背景下，遺態(tài)材料（morphology genetic material）應運而生[2]。

遺態(tài)材料作為材料研究領域里的一個新概念，從誕生至今近20多年來，一直受到國際廣泛關注，研究發(fā)展不斷提升，如圖1所示。“遺態(tài)”一詞是“遺傳”和“形態(tài)”二者的組合，即對生物體“形態(tài)”的“遺傳”。遺態(tài)材料主要指借用自然界億萬年優(yōu)化的生物自身多層次、多維的本征結構和形態(tài)面貌作為模板，采用人工耦合處理技術，通過生物結構和形態(tài)遺傳，結合化學組分的變異，制備出保持具有自然生物精細分級形態(tài)結構和面貌的新型結構功能一體化材料。這種材料借助生物進化而形成的優(yōu)化結構，可以獲得比人工仿生材料功能更為優(yōu)異的材料特性，而且可以獲得比原生物更完備的功能性能[3]。

一、遺態(tài)材料的產(chǎn)生與發(fā)展

遺態(tài)轉化形成來自于生物體自身礦化作用機理的啟迪。生物礦化是指生物體通過生物大分子的調控生成無機礦物的過程，這種現(xiàn)象在自然界是一個普遍的自然規(guī)律。Mauricio E.Calvo等[4]在基于納米脫層膜的光電布拉格反射鏡研究中總結出生物自身礦化大體可分為4個階段：大分子預組織，礦物質在沉積之前需處在為產(chǎn)生組織所具備的反應環(huán)境；在有機大分子結構控制下，無機物與有機物在界面處形成分子識別界面；生長調制，通過晶體生長使得無機相組裝，產(chǎn)生亞單元；細胞加工，在細胞參與下亞單元組成高級結構。受這4個過程的啟發(fā)，遺態(tài)轉化工藝被設計出來。

遺態(tài)材料最早是由Okabe T博士等于1992年研發(fā)出，當時稱為木質陶瓷（woodceramics）[5]，是一種用木材或木質材料與熱固性樹脂制成的復合材料在高溫絕氧條件下燒結制成，其具有以下特點：多孔結構、質量輕、硬度高、耐熱性、耐腐蝕、低成本。當時研究木質陶瓷用于電傳導，使其作為一個多孔低溫度導體。該半導體可以受到石墨微晶電子中π電子系統(tǒng)的內部相互作用的影響[6]。一些美國學者將其稱為生態(tài)陶瓷（Ecoceramics），但認為該材料的韌性、導熱和導電性能較差，阻礙了其應用，需要進一步研究和改進。青島大學的李達等認為隨著技術的進步，木質陶瓷將成為如碳纖維及石墨等高技術碳素材料和傳統(tǒng)木炭中的新型原材料，其各項功能將會改善并滿足應用要求。

二、遺態(tài)材料的應用

1.遺態(tài)材料與納米技術

基于現(xiàn)代生物研究的巨大進展，生物分子及生物結構和功能性方面的研究成果也正在快速進步，越來越多的生物學概念，如自組裝、界面分子識別、結構進化等被不斷導入材料學，而生物的亞微米級智能組裝和其宏觀的功能實施正日益受到科學界的關注。通過優(yōu)化的生物細胞、核酸、蛋白質等來制造功能性的納米結構及中間態(tài)結構的有機和無機材料，并用上億年進化構生出萬千奇特的生物組織，而這些生物組織具有目前尖端技術也無法合成的精密的結構和復雜的功能，它們在生物分子的識別、自組裝、復雜信息處理等方面有著重要的作用，可以被看做是天然的自動運行的微納米反應器。這些具有微納米反應器本質上是經(jīng)分子水平的編碼基因調控，引導生物大分子通過自下而上的自組裝構造成所需要的圖模。因蛋白和核酸在亞細胞水平參與的調控甚至達到單納米級精度，使得這些結構的可控性大大增加，如何仿造及構建這類天然存在的特殊結構將成為材料學的新熱點[6]。

韓國的Kim等[7]利用ALD（原子層沉積法）以二氧化鈦（TiO2）包覆由肽自組裝成的模板，煅燒除去模板后形成TiO2納米帶。因為其高效的離子/電子傳導性，可以用作鋰電池的電極。利用生物模板法可以將天然生物結構為基本結構，使其合成制備擁有微納米分級多孔氧化物生物性質的遺態(tài)材料的簡便方法。2012年江蘇大學陳豐博士[8]采用生物模板法，將生長在自然界普遍生存而且容易獲得、廉價的材料，如植物樹葉、油菜的花粉、三葉草葉的莖、雞蛋膜、月季花瓣、真菌菌絲體等將其制作成為生物模板，研究了鈰源對生物模板細胞膜實體微米孔和納米細胞孔虛體結構的雙重有效復制，構建了微米孔與納米孔結構匹配的分級多孔氧化鈰生物遺態(tài)材料。西北工業(yè)大學的賀辛亥等[9]認為自然界是天然的模板，例如木材、竹子、紙、纖維素等，對其進行仿生合成，使其成為具有生物形態(tài)的碳質遺態(tài)材料。在對氧化錫SnO2/C遺態(tài)材料的顯微結構及性能的影響的研究過程中，發(fā)現(xiàn)生物模板整理工藝可有效的調理和控制遺態(tài)材料的納米結構和性能。此外，采用天然生物模板參與合成納米復合材料研究，其可以廣泛應用到電子顯微鏡、化學與生物方面的分析技術、光電子、新材料、醫(yī)藥等領域，分級結構遺態(tài)納米復合材料研究，新型天然光子晶體的遺態(tài)納米復合材料研究等。

2.遺態(tài)材料與石墨烯

自從2004年，英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等從實驗室采用機器剝離分離出石墨烯，近十年來石墨烯方面的研究已經(jīng)獲得了很大的進展，石墨烯已經(jīng)逐漸開始發(fā)揮著巨大的作用，被廣泛地應用到化學工業(yè)、電子元器件等領域，甚至航天、光學、儲能、生物醫(yī)藥、日常生活等領域。南京師范大學的胡耀娟等[10]發(fā)現(xiàn)石墨烯的研究及其應用中的核心問題，就是如何解決石墨烯生產(chǎn)達到大規(guī)模、低成本、可控合成及其制備的相關要求。而目前被廣泛采用的機械剝離方式方法，經(jīng)驗證顯然不能迎合將來工業(yè)化特點的要求；另一種方法氧化石墨還原法，盡管該方法能夠達到相對較低的成本來生產(chǎn)加工出大量的石墨烯，但是對于石墨烯的電子結構及其晶體的完好程度都會受到在其制備過程中使用的強氧化劑的嚴重影響，甚至遭到破壞，使石墨烯的電子性質遭受到不良的影響，因此，這樣會在一定程度上限制和影響了石墨烯在微電子器件領域的有效應用和發(fā)展?；瘜W沉積雖然可以制備出面積較大而且性能較為優(yōu)異的石墨烯，可是目前階段的工藝水平還不夠成熟，再加上其較高的成本，從而使其被大規(guī)模采用受到了一定的制約。因此，未來石墨烯產(chǎn)業(yè)重要的研究方向是如何能夠大量、低成本制備出高質量的石墨烯材料以及如何使其更好地發(fā)揮功效。

如今較為明確的石墨烯對于遺態(tài)材料影響與應用方面的研究文獻還很少，在目前材料的發(fā)展大趨勢下需要考慮結合石墨烯的應用發(fā)展碳質遺態(tài)材料，如果將遺態(tài)材料低成本和環(huán)保的特性與石墨烯的高性能結合，以遺態(tài)材料的制備理念結合石墨烯的應用領域會使其更好發(fā)揮良好作用。相信隨著研究的不斷深入和人們相關需求的不斷提高，彼此將會建立良好的橋梁。

3.遺態(tài)材料與新能源

由于能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力，煤炭、石油、天然氣等化石能源開始逐步退出歷史舞臺，取而代之的太陽能、生物質等新能源將會被廣為利用，但目前為止面臨的問題是其制備工藝和設備如何能很好的達到高功效和環(huán)境友好的作用，需要進一步探索和研究。例如在太陽能的利用中，太陽能電池的效率是關鍵問題，上海交通大學張荻教授等[11]的“遺態(tài)材料”科研小組“啟迪于蝶翅的染料敏化太陽能電池的創(chuàng)新研究”在國際范圍內率先提出利用具有精細分級的蝶翅作為模板，來制備染料敏化太陽能電池用的TiO2光采集器件。因為自然界的物種經(jīng)過千百萬年自然選擇的殘酷競爭，已進化出了無數(shù)相應的特殊結構。其中生活在寒帶及高緯度地區(qū)的蝴蝶，其翅膀鱗片所具有的微結構，有助于個體充分、高效地吸收利用太陽能，以保持其體溫，維持其物種的延續(xù)。受此啟發(fā)，研究小組設計了一種全新的具有高光采集效能的太陽能電池的光陽極構件，并對此進行了研究和驗證。通過遺態(tài)工藝，以蝶翅鱗片為生物模板，成功獲取了保留原始蝶翅結構的TiO2材料（如圖2所示）。研究發(fā)現(xiàn)，相對于普通的TiO2薄膜，具有蝶翅結構TiO2的光吸收率可提高2倍以上，以此為光陽極，可以大大提高光采集效率，進而有望提高該類太陽能電池的光電轉換效率。該研究巧妙地將自然進化的精細特種結構與功能材料的設計、制備一體化結合在一起，為今后設計和制備染料敏化電池提供了全新的設計思想和依據(jù)。

4.遺態(tài)材料與節(jié)能環(huán)保

自然界中存在著許多長期被人們忽視并認為是廢物的生物質資源，如木質紙張、樹葉、大豆秸稈、稻殼、木材碎屑、貝殼、毛發(fā)、骨骼等眾多廢棄物。這些生物質一直被人們認為是“廢棄物”和“垃圾”，根本原因是人們缺乏對這些廢棄生物質資源充分的認識和研究，從而導致了人們認知層面上的誤區(qū)，這種誤區(qū)導致了這些廢棄物生物質資源長期的浪費，也導致了不同程度的環(huán)境污染。例如，可將農(nóng)副產(chǎn)品、工業(yè)和生物材料做成去除工業(yè)廢水中的重金屬元素的吸附劑，如大豆秸稈做吸附劑去除銅離子、稻殼為高分子功能化活性炭除銅離子；將廢棄的木材轉變?yōu)樘蓟瑁⊿iC）并與鋁合金復合，從而簡易地制備出具有自然木材的分級結構的SiC/Al復合材料，這一新型遺態(tài)復合材料繼承了木材的各向異性，使得自身的性能得到大幅度提高；如果以蛋殼內膜為模板，則可以制備具有蛋殼內膜交叉網(wǎng)絡結構的金屬氧化物SnO2和TiO2，這些具有三維管道互通網(wǎng)絡結構的氧化物，具有更好的氣體敏感選擇性和溫度敏感性；木質陶瓷可以用廢棄的木材合成制備，例如建筑中被廢棄的木料，日常工作和生活所廢棄的紙張，食品加工工業(yè)生產(chǎn)中所廢棄的甘蔗或水果渣等，這可以減少資源消耗和促進環(huán)保的作用，因此木質陶瓷可稱為一種生態(tài)友好材料。如果用遺態(tài)概念去開發(fā)利用這些材料，從而彌補科學研究在“廢棄物”再利用方面的不足，改善不良的處理方式，可將其變廢為寶，這也科學和充分地符合國家提出的資源再利用、環(huán)境更美好的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為實現(xiàn)其再利用提供了一條新的科學有效的途徑。

三、結語

隨著工程技術的不斷發(fā)展，特別是納米技術、基因工程的迅速發(fā)展，“師法自然”并非是簡單的形式和結構上的模仿，因為自然界經(jīng)過長時期適應性優(yōu)化與進化所形成的內在形態(tài)與結構是高效、完美、簡潔、精致的，而遺態(tài)材料的研制理念是真正實質意義上的仿生材料的開發(fā)與研制，這也會產(chǎn)生真正意義上的源于自然而高于自然的材料與制備工藝。向自然學習的方式是當下人們面對未來而做出的最佳選擇，也是材料研究與制備上具有長遠性與可持續(xù)性的有效途徑。

參考文獻

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