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*前沿领域，代表了材料科学的*活跃方面和***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**的研究进展。《仿生智能纳米材料》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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《仿生智能纳米材料》不仅对该领域的科研人员具有重要的参考价值，而且适用于对自然科学感兴趣的大中学生。相信《仿生智能纳米材料》会引起人们对仿生智能纳米材料的广泛兴趣。
第1章仿生智能纳米材料概述
1.1仿生纳米材料的概念
随着生产和科学技术发展的需要，人们已经深刻地认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉，这就是仿生学的基本思想。但是，直到20世纪60年代，在美国召开的**次仿生学会议上，美国科学家斯梯尔（JackEllwoodSteele）根据拉丁文“bion”(生命方式的意思)和字尾“ic”(“具有的性质”的意思)把新兴的科学命名为“Bionics”(1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”)，这标志着仿生学作为一门独立的学科正式诞生。仿生学仿生学是通过研究模仿生物系统原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。简言之，仿生学就是模仿生物的科学，是研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为材料、工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的综合性科学。仿生学将可能为人类提供*可靠、*灵活、**效、*经济的技术系统。依据仿生学原理，模仿生物各种特点或特性而制备的材料，称为仿生材料仿生材料。
在仿生科学发展的同时，纳米科技不断发展，各种表征技术相继问世，人们可以直接对原子、分子进行加工，精确控制结构，组装构造复杂的物质和器件。科学家对生物构造、运动方式、感知与调控等方面的深入了解，发展了现代新的仿生技术。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级次、多尺度多尺度的组装而实现。这些仿生技术大致为三个层次上的仿生：一是宏观尺度上的，如飞机的流线型是模仿鸟在冲刺状的形态；二是微纳尺度上的，如模拟芒刺表面的倒钩发明尼龙搭扣，模拟贝壳的层状纳米结构制得摔不碎的陶瓷；三是分子尺度上的，如模拟性引诱激素的化学结构制备了捕杀森林害虫舞毒蛾的杀虫剂。在人类发现并认识生命现象中诸多微观结构、功能以及生态系统关联的基础上，仿生学为人类的创造力增添新的无穷动力和源泉。向自然界学习，向生物学习，利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成具有特定性能的纳米材料是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域，加快了现有学科的交叉发展和催生充满活力的新兴边缘科学，而且已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术、信息技术等多学科交叉的前沿热点之一，为人类社会生产的发展和科学文明的进步做出了巨大的贡献。
1.2仿生纳米材料的智能性
材料根据其侧重的方面不同一般分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要要求其机械强度，而功能材料侧重于其特有的功能。1989年，日本高木俊宜教授将信息科学融入材料的结构和功能特性，提出了智能材料智能材料（intelligentmaterials）的概念。智能材料是指具有感知、响应并具有功能发现能力的新材料。智能材料集感知、驱动和控制三种职能于一身。因此，智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征。
（1）传感功能。能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。
（2）反馈功能。可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。
（3）信息识别与积累功能。能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
（4）响应功能。能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要的行动。
（5）自诊断功能。能通过分析比较系统目前的状况与过去的状况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
（6）自修复功能：能通过分繁殖、自生长、原位聚合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。
（7）自调节功能：对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。
智能材料通常不是一种单一的材料，而是一个材料系统；或者确切地说，是一个由多种材料通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。智能材料的设计思想是材料的多功能复合功能复合和仿生设计仿生设计。科学家通过仿生手段来设计材料，使材料和系统达到更高的层次，使其成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和自执行功能的新材料。智能材料发展的突出特点是基础研究和应用研究密切结合、仿生技术与纳米技术密切结合。目前，仿生智能纳米材料的研究从结构构思，到新制法及智能器件的开发等方面在世界范围内已引起了众多科学工作者的密切关注[1]。例如，仿荷叶表面微结构和性能的自清洁界面材料、仿猫前爪垫功能和蜘蛛网柔顺结构及其性能的更为安全的轮胎、仿鲨鱼皮表面棱纹微结构的低能耗飞机外壳涂层、模仿乌贼等动物的变色机制制成的“智能玻璃”、仿贝壳结构的轻质高强材料、仿绿叶光合作用的能源材料与器件等。
智能材料在不同的领域具有不同的特点和应用，在现代医学领域可用于人造肌肉、人造皮肤、人造器官、药物输送等；在军事领域可用于舰艇，以抑制噪声传播，提高飞机、潜艇和军舰的隐身性能；在日常生活方面可用于机动车辆，以提高车辆的性能和乘坐的舒适度，可用于随心所欲变换颜色的住宅。“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，通过研究生物结构与功能的内在联系指导开发新型功能材料已经成为仿生材料设计与制备的重要新兴前沿课题。近年来，世界主要发达国家（如美国、俄罗斯、英国、日本等）均致力于研究仿生材料，已经取得了突破性进展，其中以美国国家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA）的仿生材料技术尤为领先。这些国家在仿生方面的研究成果已被应用于航空航天、军事、工业等领域，创造了巨大的经济效益和社会效益。我国也非常重视仿生新材料与器件的研究，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中明确提出将“智能材料与结构技术”列为新材料技术中的首要发展方向。
1.3仿生材料的研究内容
自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化，形成了独特的结构与功能，其不仅适应了自然而且达到了近乎完美的程度，实现了结构与功能的统一，局部与整体的协调和统一。人们试图模仿动物和植物的结构、形态、功能和行为，并从中得到灵感来解决所面临的科学、技术问题。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。近年来，仿生材料飞速发展，仿生材料的研究范围非常广泛，包括生命体系从整体到分子水平的多层次结构，生物组织形成各种无机、有机或复合材料的制备过程及机理，材料结构、性能与形成过程的相互影响和关系，以及利用获取的生物系统原理构筑新材料和新器件。下面将主要从材料的仿生制备仿生制备、结构仿生结构仿生和功能仿生功能仿生，仿生能源材料与器件三方面介绍仿生材料的研究内容。
1.3.1材料的仿生制备
自然界的生物材料不仅在纳米范围内有序，在不同长度或空间范围内也都规则排列，如哺乳动物的骨骼、肌肉组织、皮肤组织、神经组织，软体动物的外骨骼贝壳，昆虫的外骨骼几丁质，鸟类的蛋壳等。生物组织结构的这种组装有序具有目的性和功能驱动性。生物体总是从分子/生物大分子自组装形成细胞器/细胞、细胞间相互识别聚集而形成组织、从组织再到器官、*后形成单个的生物体，甚至生物个体的生存也依赖于群体中的个体通过一定的识别/自组织/协同等作用，也就是说，复杂功能的实现大多经过从小到大的多尺度分级有序的自组织/协同过程。从生物分子有序的自组装现象，材料学家得到了启发，提出了自下而上的从基本单元合成一系列新型纳米材料的方法——自组装技术。所谓自组装，是指基本结构单元(分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术[2]，是若干个体之间同时自发地发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发地组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外形的结构。自组装过程并不是基本结构单元的简单叠加，而是一种整体协同作用。自组装过程中分子识别取决于基本结构单元的特性，如表面形貌、形状、表面功能团和表面电势等，组装的*终结构具有**的自由能。研究表明，内部驱动力是实现自组装的关键，包括范德华作用力、氢键、静电力等只能作用于分子水平的非共价键力[3-8]和那些能作用于较大尺寸范围的力[9，10]，如表面张力、毛细管力等。
科学家们一直致力于通过自组装的途径获得各种尺度且具有规则几何外形的纳米材料聚集体，并期望实现不同于单体的优异物理、化学性能。从分子到宏观物体的各种不同尺度下的自组装体系，即自下而上的自组装，特别是介于分子与宏观物体之间的介观尺度上的自组装是近年来刚刚兴起的研究热点。例如，研究人员以DNA双螺旋结构编码的蛋白质及其复杂衍生物为单位进行自组装，构筑微米、厘米乃至更大尺度的、具有规则几何外形的聚集体[11-17]。因此，以纳米结构为单元，通过自组装技术将其自组装为各种分级有序结构（纳米或微米尺度上的有序结构）的材料，为我们将功能材料按照理想方式组装成高度有序的结构提供了一条有效的途径，并且为微器件的研究提供了新的机遇[18-20]。这方面的研究主要包括纳米材料的自组装和模拟生物矿化过程进行多尺度结构的构筑。
1.纳米材料的自组装自组装
纳米材料的自组装主要包括零维纳米粒子、一维纳米材料和二维纳米材料等的自组装。在零维纳米粒子的自组装方面，稳定的胶体纳米粒子单分子层薄膜通常用作自组装制备分级有序结构的研究对象，在纳米粒子的表面进行单分子层（如硫醇等）修饰，通过分子间氢键或粒子间的相互作用来诱导自组装，形成尺度均一的聚集体。值得一提的是，二元体系的纳米粒子自组装受到了研究人员的广泛关注，将两种不同材料的纳米粒子自组装为二元超晶格结构，为将不同纳米粒子自组装为化学组成和粒子位置可控的聚集体提供了可能[21-25]，这种自组装方法对设计具有新性质的纳米尺度材料有重要的意义。对于一维纳米材料的自组装，报道集中在液体辅助下的自组装，即利用液体的界面张力、毛细管作用力或者纳米材料本身不同的亲疏水性进行自组装。例如，作者课题组提出利用水滴铺展法有效地将一维碳纳米管阵列膜自组装为三维微米尺度的图案化陈列表面[图1.1(a)～(c)][26]。一维纳米材料的自组装还可以通过模板诱导，或纳米材料本身不同的电学性质来实现。例如，王中林课题组[27，28]根据沿(001)方向生长的ZnO纳米带两侧具有不同电性，在静电力的诱导下，一维纳米带自组装成三维右手螺旋状结构。在此基础上，作者课题组发现在温和的溶液反应中，反应生成的氧化锌纳米棒会自组装成花状聚集体，并且在静电力的诱导下，*终会自组装为纳米管的花状聚集体[图1.1(d)～(f)][29]。另外，通过晶体的分步成核和生长，可以构筑复杂的多尺度分级有序的微纳米结构及图案化材料[30]。二维纳米材料的自组装，特别是随着石墨烯的研究发现，以具有优异特性的石墨烯二维材料与其他各种材料（如高分子、无机纳米材料等）组装一直是研究人员制备高性能复合材料的一个重要方向。
图1.1激光诱导的水滴铺展法自组装图案化阵列碳纳米管膜表面(a)～(c)，静电作用力诱导的自组装氧化锌纳米花状结构(d)～(f)，以及模拟生物矿化过程制备的多尺度材料(g)～(i)。
2.生物矿化生物矿化制备纳米材料
生物矿化(biomineralization)是指在生物体系中具有特殊高级结构和组装方式生物矿物的形成过程。生物矿化包括两种形式：一种是正常矿化，如骨骼、牙齿和贝壳等的形成；另一种是异常矿化，如结石、牙石和龋齿等的形成。生物矿化作用区别于一般矿化作用的显著特征是，它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控制无机矿物相的析出、生长，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式。
将生物矿化的机理引
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