聞利平：“仿生”路上 十年一劍

本刊記者 楊 嬌

聞利平：“仿生”路上 十年一劍

本刊記者 楊 嬌

團隊合影

學習魚類，人類制造了潛水艇；學習鳥類，人類制造了飛機；學習熒火蟲，人類制造了熒光燈……自然界的生物經過億萬年的進化形成了許多卓有成效的識別、導航、生物合成、能量轉換、控制反饋等完美的功能，其精巧性、靈敏性及高效性等諸多優點令人驚嘆。從自然界獲得靈感，通過對生物特殊功能的模仿，實現材料的智能化設計，為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經濟的接近于生物系統的材料，造福人類，也是仿生學的真正魅力。而師法自然，并可能在某些方面超越自然，這是向自然學習的總目標。

作為一名仿生界面材料的研究者，聞利平研究員在仿生納米通道領域潛心鉆研，踏實前行。經過近10年的探索，在仿生納米通道的設計、制備、功能化及器件構建等方面，摸索出一套行之有效的研究方法，取得了一系列研究成果。但這些成果，并未讓他止步，他更多思考的是如何把理論研究進行成果轉化，切實為社會所面臨的能源危機和健康危機提供一種更準確、更經濟的解決方案。

從仿生入手，向自然學習

《韓非子》中曾有載，魯班用竹木作鳥，“成而飛之，三日不下”。然而，人們更希望仿制鳥兒的雙翅，也能夠在空中實現自由飛翔。就在400多年前，意大利人利奧那多·達·芬奇和他的助手對鳥類進行了仔細的解剖，研究鳥的身體結構并認真觀察鳥類的飛行。后來，他們成功設計和制造了一架撲翼機，這就是世界上第一架人造飛行器。

“向自然學習，向生命學習”，從仿生入手探索生命的奧秘，這也成了眾多優秀科研工作者的信念。2007年，聞利平進入中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室物理化學專業攻讀博士學位，師從仿生大師江雷院士，從事仿生納米孔道的制備及輸運行為研究。2011年，他兩次訪問日本東京工業大學彌田智一教授研究組，這為他日后應用新材料進行新型仿生納米通道研究打下了堅實的基礎。

生物體內的納米通道（典型的如離子通道）內半徑大約在幾個納米以內，它們會在不同狀態下發生特定的空間構型改變從而允許某些特定的離子和分子通過，該門控功能使得它在細胞的信號傳導、能量轉換、電位調控、物質交換及系統功能調控等基本生物學過程中發揮著極為重要的作用。自然界中的許多生命體都在高效地利用納米通道結構發揮著各自的功能。比如，許多植物的莖都是中空的多通道微米管，這使其在保證足夠強度的前提下輸運水分和營養；鳥類的羽毛也具有多通道管狀結構，這可以極大地減輕重量；許多極地動物能夠在嚴寒的環境中生存下來，是因為其毛發中含有多通道或多空腔的微納米管狀結構，該結構賦予其卓越的隔熱性能。

鑒于生物離子通道的多功能及脫離生命體系不穩定的特征，聞利平仿生制備了固態納米通道，并對其物質傳輸行為進行了研究。一維限域可控離子傳輸的研究不僅有助于了解生命體的奧秘，而且有助于解決與膜材料相關的能源、環境、資源和健康等領域的重大科學問題。圍繞一維限域納米通道可控離子輸運的基本科學問題，聞利平提出了一維限域體系離子可控傳輸的設計思路，構筑了系列一維限域體系，揭示了一維限域離子輸運的本質及調控規律，發展了基于新原理、新概念和具有自主知識產權的能量轉換器件，為制備新型能源轉換體系提供了新思路和方法。

十年磨一劍，致力于能源問題的解決

能源的開發和利用一直貫穿著人類的發展歷史，直接關系到人類社會的可持續發展。隨著全球人口的不斷增長和對生活期望的提高，能源問題已經成為擺在全人類面前最亟待解決的問題。未來的幾十年中，找到能夠滿足地球上日益增長的能源需求的新方法將成為全人類都必須面對的最大挑戰之一。

19世紀初，意大利著名物理學家伏特，就以青蛙和電鰻魚的生物能轉變為電能這一非凡的本領為模型，設計出世界上最早的伏打電池，開辟了能源研究的新篇章。這一從仿生現象到仿生原理和仿生器件的研究，至今仍給我們以深刻的啟示。作為后來者，聞利平也在仿生學領域尋求著能源問題的突破。

聞利平介紹說，目前應用納米技術開發的能源體系的轉換效率和能量密度還處于比較低的水平，遠遠不能滿足人們日益增長的物質生活和社會發展的需要，成功的實例還較少，制約了新型能源的開發與利用。但也同時證明，在這片領域，還有很大的研究機遇和發展空間。

從博士研究開始，聞利平就著眼于利用納米科學技術來進行能源問題的解決。利用仿生納米通道膜，進行離子可控傳輸與能量轉換。然而，他深知研究需要從基礎開始，必須了解影響納米通道功能的每一個因素，并對每一個關鍵因素都進行細致的分析。從錐狀納米孔的離子傳輸規律入手，聞利平仔細分析了影響納米孔功能性的每個因素，取得了一系列代表性的成果，并實現對陰離子、陽離子、金屬離子、酸根離子等不同離子形式的門控與傳輸調節，初步實現了仿生納米通道對離子的智能調控。

可是，仿生錐狀納米通道也存在一些固有的不足，穩定性不夠。怎樣才能彌補不足？通過對以往錐狀納米通道的模型仔細推敲，對數據的詳細分析，聞利平發現這種“穩定性不足”原來是可以通過納米通道的形狀進行改善的。在錐狀納米通道中，起到功能性的部分主要是錐尖那一小部分功能基團，然而錐狀納米通道由于其形狀限制，關鍵功能區較短，因而影響到了整個納米通道的穩定性。于是，聞利平帶領小組成員，采用延長關鍵功能區的方式制備出了漏斗狀納米通道。通過對新型結構的納米通道功能化測試，發現該設計可以很好地實現預期的穩定性增強。

然而，聞利平對自然寶藏的“深挖”還遠遠沒有結束。在模型構建上所取得的成果，還需要進行更多的測試與評估。于是，他開始著手于大面積多孔膜的能量轉換體系的建立。通過前期模型構建所摸索出來的經驗與知識，最后選擇制備具有多重非對稱性的漏斗形納米孔陣列，并將該體系投入鹽差發電領域的應用。通過一系列的嘗試與實驗，聞利平和團隊獲得了一系列可喜成果，所制備的基于嵌段聚合物的異質多孔膜，在正常海水淡水鹽差梯度下，獲得0.35W/m2的功率密度，相關成果發表在美國化學會會志上。文章一經發表，便引起學術界的廣泛關注，并被各大科研媒體爭相報道。目前，該研究團隊通過改變材料及組裝方式，已經將功率密度提高到3.75W/m2，該數值已接近商業化水平的5W/m2，具有非常廣闊的應用前景。通過設計智能材料的結構和化學組成，實現了多通道限域體系離子傳輸的智能調控，進一步將多通道限域膜材料應用于化學勢梯度驅動的先進能源轉換器件，為新能源器件的設計提供理論基礎和新思路。

愛因斯坦這樣說過，在一個崇高的目標支持下，不停地工作，即使慢，也一定會獲得成功。從2007年至今，多少晝夜，多少難關，多少付出，恐怕唯有聞利平自己深知。談起今天的成就，而聞利平最想感謝的卻是：多年來妻子和家人的全力支持，導師的引導與啟迪，同事及學生們的共同努力……點點滴滴，都讓他銘記在心。“接下來的任務還很重，我們唯有腳踏實地，踩穩每一步，以后的路才能更穩、更有力度。”聞利平如是說，在科研的道路上他始終堅守著十年磨一劍……

專家簡介：

聞利平，博士，中國科學院理化技術研究所仿生材料與界面科學院重點實驗室研究員，中國科學院大學未來技術學院教授，博士生導師。2016年度國家自然科學基金委“杰出青年基金項目”獲得者。主要研究方向為仿生納米通道離子可控傳輸與能量轉換研究。多次在國際材料化學會議、亞洲化學會年會、中國化學會年會等國際、國內會議上作邀請報告。主持或作為骨干主持多項基礎或重大研究計劃項目，至今已發表SCI論文60余篇，英文書籍4章，授權國家專利3項。

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