发布时间：2024-03-25 16:23:26 栏目：生活
新加坡科技设计大学 (SUTD) 副教授哈维尔·费尔南德斯 (Javier Fernandez) 表示：“极端稀缺的条件使天然材料能够演变成地球上一些最非凡的材料，例如极其坚固的蜘蛛丝和耐冲击的贝壳。”
纵观历史，科学家们一直向大自然寻求灵感来解决问题和开发新技术，从达芬奇模仿鸟类的飞行器到模仿鲨鱼皮的高效泳衣。十年前，费尔南德斯副教授提议，不仅将自然作为材料科学的灵感来源，而且还为如何组织自然分子以重现天然材料的非凡特性提供了蓝图。他补充说：“将天然分子与其天然组织相匹配，使其无需修饰即可使用，从而使材料完全融入自然生态循环。”
费尔南德斯副教授的仿生工程研究重点是甲壳素。作为地球上第二丰富的有机分子，甲壳素是可再生的，并且是每个生态循环的一部分。它也是大自然用来生产一些最特殊结构的材料，例如昆虫轻盈而坚硬的翅膀、贝壳坚韧的外壳以及蝴蝶非凡的颜色。因此，由于其多功能性和可持续性，控制它在工程中具有广泛的影响。
在早期的一项研究中，费尔南德斯副教授和他的团队发现，分离的甲壳素可以聚集并产生坚固的材料，同时保持其光学功能。他们的最新研究“鞘翅目角质层虹彩的大规模人工生产及其在保形生物可降解涂层中的应用”建立在这些结果的基础上，通过向甲虫学习如何有效地使用几丁质大规模产生颜色。然而，它们并不是从色彩缤纷的甲虫那里学到的。
虽然生活在植物上的甲虫使用复杂的结构来产生充满活力和虹彩的颜色来完成许多任务，从传达信息到迷惑捕食者，但一些生活在隐蔽/黑暗环境中的深色物种会产生微弱的颜色反射，但没有明显的用途。费尔南德斯副教授感兴趣的正是这种机制，因为它涉及可以在制造过程中轻松实现的简单结构。
生活在黑暗环境中的甲虫的外骨骼被几丁质褶皱覆盖，这有助于它们轻松地穿过泥土和潮湿的区域。有趣的是，当这些褶皱与导致其深色的富含黑色素的背景结合在一起时，它们的角质层会变得彩虹色，在暴露于光线下时会反射出不同的颜色。研究人员发现，折叠的周期性并不是自然优化以产生颜色。然而，该团队可以对其进行人为优化，并能够通过这种简化的机制产生彩虹色的几丁质颜色，与生活在叶子上的鲜艳甲虫的复杂结构所产生的颜色相媲美。
这种简单的结构使该团队能够在短短一年内将颜色的生产从用作概念验证的显微样品升级到 A4 尺寸的薄膜，这是迄今为止用其天然分子生产的最大的结构色示例。这些结果不仅在理论上具有重要意义，而且在技术上也具有重要意义。 Fernandez 副教授解释说：“由于甲壳素已获得 FDA 批准用于医疗和化妆品用途，因此它为这些应用中使用的合成材料提供了一种健康且环保的替代品。”除了过去使用甲壳素在当地生产消耗品的成果外，该团队预计将颜色结构性地纳入一般制造中，从而无需添加人工染料。
展望未来，费尔南德斯副教授将仿生制造视为生物学和技术之间互惠互利的协同作用，使基于生物设计的新材料的技术使用成为可能，并帮助研究人员创建受控模型以更好地了解生物系统。
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