文章导读
自然界中丰富多样的植物凭借其独特的结构与功能，为科学家们开发具有优越性能的仿生材料提供了重要的启示。在科技迅猛发展的当下，植物作为改善生态的重要直接和间接因素，其在推动可持续技术进步方面的潜力正受到越来越多的关注与研究。本文介绍了植物微观结构与功能的关联性，全面分析了植物的构成要素。在此基础上，综合总结了基于植物仿生技术的多功能表面和界面研究的突破性进展，并阐述了从构效关系研究到先进材料设计与制造，再到实际应用的整体路径。
关键词：植物仿生；多功能表面和界面；能量采集、转换和存储；环境技术；结构强度与韧性
Citation：Binodhya Wijerathne, Ting Liao, Xudong Jiang, Juan Zhou, Ziqi Sun. Plant-inspired surfaces and interfaces for sustainable technologies[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/ad93ea
文
章
亮
点
介绍了植物基本构成要素及其功能仿生的应用。
讨论了用于可持续能源采集、转换和存储的植物仿生材料和技术。
综述了基于植物仿生的环境清洁和修复结构和材料在可持续环境技术领域的最新进展。
总结了植物仿生材料在机械性能方面创新。
阐述了植物仿生多功能表面和界面在可持续技术应用中的优势、挑战和未来前景。
图1:植物仿生多功能表面和界面的丰富应用。
研究背景
仿生材料是从自然界的结构和功能中汲取灵感而开发的新型材料，其性能优于传统材料。作为自然界的关键组成部分，植物凭借其多样化的结构和功能，为在能量采集和转换、环境技术、生物响应和驱动以及强韧化先进结构等领域应用的仿生材料设计提供了灵感。然而，目前对自然结构的探索及其结构-功能关系的建立仍处于初级阶段。因此，通过本综述，希望能为研究者们借鉴自然界中的优秀成果，从当前研究进展中提取出关于植物微观结构与功能如何构建非凡能力及特性的原则，建立天然植物结构特性与先进仿生材料制造之间的知识桥梁，为先进材料创新提供新的视角。
本文要点
植物基本构成要素及其功能仿生的应用
植物是地球上生物多样性的基础，已知约有380,000种，它们的组成从单细胞到高大树木不等。植物通过光合作用，利用叶绿素将二氧化碳和水转化为糖类和氧气，支持大部分生态系统。植物的主要组成单位包括木质素、纤维素、果胶和半纤维素。这些成分不仅为植物提供结构支持，还在人类生活中有广泛应用，如建筑材料和药品。木质素赋予植物坚硬直立的结构，具有抗紫外线、抗氧化和抗菌特性；而纤维素是可再生资源，用于增强材料性能。果胶在植物细胞中提供柔性，广泛应用于食品和医疗领域。半纤维素则因其非晶态和较低稳定性，在可持续技术中有所应用。这些植物成分的独特性质和功能，为发展先进材料和可持续技术提供了灵感和基础。
用于可持续能源采集、转换和存储的植物仿生材料和技术
植物通过光合作用吸收太阳能和二氧化碳的这种高效能量转换能力，为可持续和环保的能源转换类技术提供了灵感。目前，基于植物仿生的材料已被广泛应用于提高太阳能电池和光伏设备的效率（图2(a)），开发能够将二氧化碳转化为有用燃料的光催化装置(图2(b))，以及利用电泳现象、摩擦电效应等方式发电的新兴的电能转换设备（图2(c)）。此外，植物启发的技术也被用于开发新型的能量存储设备（图3(a-d)），如通过模仿植物的水扩散梯度效应的水电压装置，以及利用纳米流体传输特性和选择性细胞结构的仿生材料。这些创新不仅提高了能源转换的效率，而且还有助于推动精准农业和其他可持续能源技术的发展。
图3:植物仿生能量收集和转换设计。A) 具有仿生物蒸腾结构的天然叶片和叶状光伏电池的结构设计和性能，可产生清洁水并冷却表面以提高太阳能转换效率。B)基于自然光合作用原理的仿生人工光合装置，拥有三维多层孔网络结构，可有效减少二氧化碳。C) 参考海藻森林设计的摩擦纳米发电机，通过波能收集为60个LED提供电力。
图4: 仿生储能材料。A) 仿生光合作用微生物结合高效能量生物光伏发电，为由天然藻细胞、铝阳极和商用开放式阴极组成的“植物电池”提供动力，可为Arm Cortex M0+微处理器连续供电数月。经许可重制。B) 仿竹子膜的锂离子电池阴极，具有二维Co3O4-Graphene电极的超快离子传输特性，从而实现出色的体积存储性能。C)3D打印的仿植物叶片结构Ni0.33Co0.66S2/石墨烯气凝胶(3DP-NCS/G)，具有高速电子/离子传输的通道，可实现混合电化学储能系统的高电流密度和电容保持。D) 仿生细胞质膜人工电极顶层，具有超流体Zn离子传输和离子筛分特性，可实现超长寿命水基Zn离子电池。
基于植物仿生的环境清洁和修复结构和材料
植物表面的多种功能推动了新型表面技术的发展。科学家们通过模仿自然界中的植物，如仙人掌、捕蝇草、瓶子草和睡莲等，已经成功开发出能够高效收集和传输水分的材料。这些材料不仅可以在干旱地区收集雾气和露水，还能够通过特殊的表面结构快速传输水分以便储存和利用（图4(a-d)）。此外，这些技术还应用于水油分离和空气净化领域（图5(a-c)）。尤其值得一提的是，借鉴植物叶片具有润湿性质，科学家们已经成功开发出具备自清洁和超疏水特性的表面材料，在有效从空气中收集水分同时减少污染与浪费方面起到重要作用。这些仿生材料与技术不仅提升了对水资源采集与利用效率，也为可持续环境技术发展指明了新方向。
图5: 植物仿生水收集装置。A) 兔耳仙人掌的茎干的凹槽和刺，能够启发制备仿生水收集装置。[105] B)狗尾草的雾水收集结构和机制以及基于水凝胶的仿生雾水捕捉结构，可用于 24 小时太阳能蒸汽发电。[113] C)水滴在瓶子草毛状体微通道上的超速定向运输，水滴首先在毛状体表面凝结并收聚合成大型水滴，然后沿着毛状体定向运输，以及通过三步紫外光刻技术在光刻胶上制作的仿生分级微通道。[116] D) 受睡莲启发的太阳能驱动蒸汽产生的装置，用于淡化海水，在白天展开状态下产生淡水，在夜晚折叠并降入海中以去除积累盐分。[126]
图6: 植物仿生环境传感和响应装置。A) 莎草叶片上的蛋形分层毛状体由四个末端多细胞蜡质疏水毛组成，其中的亲水区域激发了捕获空气的亲水区域与整体疏水表面共存的创新，从而实现有效的水油分离。B) 受低油附着力的猫舌结构和低水附着力的猪笼草边缘结构的启发设计的一种有助于定向收集并分离油水的双重仿生超亲水齿轮。C) 受含羞草叶启发的多响应淀粉执行器，由具有热诱导凝胶特性的淀粉、海藻酸钠和具有优异光热行为的微米级液态金属颗粒（LMPs）组成。该执行器能够对湿度、温度和低能量近红外辐射做出响应，并通过锁/解氢键反应来实现可逆性。
植物激发的机械韧性应用
植物的结构与化学组成为工程材料设计提供了重要启示。例如，通过调整天然木材的化学成分和微观结构，可以显著提升其硬度及机械性能，使其能够与传统建筑材料如钢铁和塑料相媲美（图6(a)），同时具备可持续性、轻质、低环境污染以及优异的防锈特性。这种材料的可塑性和轻量特征使其成为可持续建筑的理想选择，具有替代传统高污染材料如水泥和混凝土的潜力。此外，植物启发型材料不仅限于模仿自然植物结构，还包括利用植物自愈合能力及拓扑结构来设计新型生物基材料（图6(b-d)）。这些新型材料在机械性能、可持续性及创新应用方面展现出巨大的潜力，例如作为组织工程中的支架，以及能够承受极端负载条件下使用的轻质高强度气凝胶。
图7:植物仿生的坚固机械性能和韧性。A)天然木材在5 wt. % NaOH/2.5 wt. % Na2SO3水溶液中经过化学处理去除木质素和半纤维素，再通过热压致密化处理后可获得的硬化，硬度提高了23倍。B) 丽晃茎仿生的可编程自愈合金属材料，其中渗透性单元细胞可以根据内部压力改变大小以闭合裂纹。C) 多层级竹茎仿生的中空石墨纤维及气凝胶，具有连接中间层和桥梁结构，可增强机械强韧度和机械回复性。D) 植物胚轴的复杂器官结构具有特定的拓扑特性，这些特性是由细胞排列和相互作用决定的，这种细胞排列通过结构-功能关系赋予了其更高阶的性能。
总结与未来展望
植物仿生材料的研究已取得显著进展。然而，相应的结构设计和制造仍面临挑战，对植物自然结构-性能关系及其对环境变化响应机制的了解和揭示以及可应用于实际先进材料开发均处于初级阶段。在未来，我们需要进一步努力发现新的生物结构，以提高植物仿生学在可持续技术应用中的效率和效果，并从以下几个方面着手：提高植物仿生可持续技术设计效率以实现潜在实际应用；深入研究植物结构与功能之间关系；开发适用于模拟多尺度有序或复杂自然结构的制造技术；利用先进科技手段研究和模仿植物自然结构拓扑构型，在实际应用中发挥作用。尽管存在挑战，但是借鉴丰富灵感源于植物将推动仿生材料领域不断发展并为可持续未来做出贡献。
作者简介
Binodhya Wijerathne，澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授指导的博士生。她于 2021 年获得该校哲学硕士学位。在攻读研究生之前，她于 2016 年在斯里兰卡斯里贾耶瓦德纳普拉大学（University of Sri Jayewardenepura）获得理学学士学位。她的研究兴趣为可持续环境技术及仿生纳米材料。
廖婷，博士，教授。2009 年获得中国科学院金属研究所博士学位，随后在日本国立材料科学研究所（NIMS）、澳大利亚昆士兰大学（UQ）以及卧龙岗大学工作。2017年，获澳大利亚未来学者基金资助并加入澳大利亚昆士兰科技大学（QUT），历任高级讲师、副教授及正教授。她的研究兴趣包括纳米材料设计以及可持续能源的收集、转化和储存方向的研究。在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials等期刊上发表SCI论文150余篇论文。
孙子其，博士，教授。2009 年获得中国科学院金属研究所博士学位，在日本国立材料科学研究所从事一年博士后工作后，在澳大利亚科研理事会国家博士后基金(APD)、优青基金（DECRA）、未来学者基金(Future Fellow)以及工业杰青基金(IM Fellow)支持下分别在澳大利亚卧龙岗大学和昆士兰科技大学（QUT）工作。他的研究兴趣包括纳米材料设计、仿生智能材料和界面及可持续能源和技术。在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials等期刊上发表SCI论文200余篇论文。他现在也是国际期刊Sustainable Materials & Technologies的执行主编和JMST、JMR、Surf. Innov.等主流SCI期刊的副编辑。
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
自有出版平台：
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