楊嬌

學(xué)習(xí)魚類，人類制造了潛水艇；學(xué)習(xí)鳥類，人類制造了飛機(jī)；學(xué)習(xí)熒火蟲，人類制造了熒光燈？？自然界的生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化形成了許多卓有成效的識(shí)別、導(dǎo)航、生物合成、能量轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)材料的智能化設(shè)計(jì)，為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經(jīng)濟(jì)的接近于生物系統(tǒng)的材料，造福人類，也是仿生學(xué)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(xué)習(xí)的總目標(biāo)。

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(lǐng)域潛心鉆研，踏實(shí)前行。經(jīng)過近10年的探索，在仿生納米通道的設(shè)計(jì)、制備、功能化及器件構(gòu)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(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，切實(shí)為社會(huì)所面臨的能源危機(jī)和健康危機(jī)提供一種更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

從仿生入手，向自然學(xué)習(xí)

《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(shí)現(xiàn)自由飛翔。就在400多年前，意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對鳥類進(jìn)行了仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。后來，他們成功設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這就是世界上第一架人造飛行器。

“向自然學(xué)習(xí)，向生命學(xué)習(xí)”，從仿生入手探索生命的奧秘，這也成了眾多優(yōu)秀科研工作者的信念。2007年，聞利平進(jìn)入中國科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)專業(yè)攻讀博士學(xué)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(yùn)行為研究。2011年，他兩次訪問日本東京工業(yè)大學(xué)彌田智一教授研究組，這為他日后應(yīng)用新材料進(jìn)行新型仿生納米通道研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

生物體內(nèi)的納米通道（典型的如離子通道）內(nèi)半徑大約在幾個(gè)納米以內(nèi)，它們會(huì)在不同狀態(tài)下發(fā)生特定的空間構(gòu)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(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)、能量轉(zhuǎn)換、電位調(diào)控、物質(zhì)交換及系統(tǒng)功能調(diào)控等基本生物學(xué)過程中發(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)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(qiáng)度的前提下輸運(yùn)水分和營養(yǎng)；鳥類的羽毛也具有多通道管狀結(jié)構(gòu)，這可以極大地減輕重量；許多極地動(dòng)物能夠在嚴(yán)寒的環(huán)境中生存下來，是因?yàn)槠涿l(fā)中含有多通道或多空腔的微納米管狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(wěn)定的特征，聞利平仿生制備了固態(tài)納米通道，并對其物質(zhì)傳輸行為進(jìn)行了研究。一維限域可控離子傳輸?shù)难芯坎粌H有助于了解生命體的奧秘，而且有助于解決與膜材料相關(guān)的能源、環(huán)境、資源和健康等領(lǐng)域的重大科學(xué)問題。圍繞一維限域納米通道可控離子輸運(yùn)的基本科學(xué)問題，聞利平提出了一維限域體系離子可控傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路，構(gòu)筑了系列一維限域體系，揭示了一維限域離子輸運(yùn)的本質(zhì)及調(diào)控規(guī)律，發(fā)展了基于新原理、新概念和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能量轉(zhuǎn)換器件，為制備新型能源轉(zhuǎn)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(fā)和利用一直貫穿著人類的發(fā)展歷史，直接關(guān)系到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)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(jīng)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(zhàn)之一。

19世紀(jì)初，意大利著名物理學(xué)家伏特，就以青蛙和電鰻魚的生物能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓@一非凡的本領(lǐng)為模型，設(shè)計(jì)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(xiàn)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(xué)領(lǐng)域?qū)で笾茉磫栴}的突破。

聞利平介紹說，目前應(yīng)用納米技術(shù)開發(fā)的能源體系的轉(zhuǎn)換效率和能量密度還處于比較低的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)生活和社會(huì)發(fā)展的需要，成功的實(shí)例還較少，制約了新型能源的開發(fā)與利用。但也同時(shí)證明，在這片領(lǐng)域，還有很大的研究機(jī)遇和發(fā)展空間。

從博士研究開始，聞利平就著眼于利用納米科學(xué)技術(shù)來進(jìn)行能源問題的解決。利用仿生納米通道膜，進(jìn)行離子可控傳輸與能量轉(zhuǎn)換。然而，他深知研究需要從基礎(chǔ)開始，必須了解影響納米通道功能的每一個(gè)因素，并對每一個(gè)關(guān)鍵因素都進(jìn)行細(xì)致的分析。從錐狀納米孔的離子傳輸規(guī)律入手，聞利平仔細(xì)分析了影響納米孔功能性的每個(gè)因素，取得了一系列代表性的成果，并實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)，初步實(shí)現(xiàn)了仿生納米通道對離子的智能調(diào)控。

可是，仿生錐狀納米通道也存在一些固有的不足，穩(wěn)定性不夠。怎樣才能彌補(bǔ)不足？通過對以往錐狀納米通道的模型仔細(xì)推敲，對數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，聞利平發(fā)現(xiàn)這種“穩(wěn)定性不足”原來是可以通過納米通道的形狀進(jìn)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(tuán)，然而錐狀納米通道由于其形狀限制，關(guān)鍵功能區(qū)較短，因而影響到了整個(gè)納米通道的穩(wěn)定性。于是，聞利平帶領(lǐng)小組成員，采用延長關(guān)鍵功能區(qū)的方式制備出了漏斗狀納米通道。通過對新型結(jié)構(gòu)的納米通道功能化測試，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)可以很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

然而，聞利平對自然寶藏的“深挖”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。在模型構(gòu)建上所取得的成果，還需要進(jìn)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(zhuǎn)換體系的建立。通過前期模型構(gòu)建所摸索出來的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，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(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用。通過一系列的嘗試與實(shí)驗(yàn)，聞利平和團(tuán)隊(duì)獲得了一系列可喜成果，所制備的基于嵌段聚合物的異質(zhì)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(guān)成果發(fā)表在美國化學(xué)會(huì)會(huì)志上。文章一經(jīng)發(fā)表，便引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并被各大科研媒體爭相報(bào)道。目前，該研究團(tuán)隊(duì)通過改變材料及組裝方式，已經(jīng)將功率密度提高到3.75W/m2，該數(shù)值已接近商業(yè)化水平的5W/m2，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。通過設(shè)計(jì)智能材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，實(shí)現(xiàn)了多通道限域體系離子傳輸?shù)闹悄苷{(diào)控，進(jìn)一步將多通道限域膜材料應(yīng)用于化學(xué)勢梯度驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)能源轉(zhuǎn)換器件，為新能源器件的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和新思路。

愛因斯坦這樣說過，在一個(gè)崇高的目標(biāo)支持下，不停地工作，即使慢，也一定會(huì)獲得成功。從2007年至今，多少晝夜，多少難關(guān)，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(dǎo)師的引導(dǎo)與啟迪，同事及學(xué)生們的共同努力？？點(diǎn)點(diǎn)滴滴，都讓他銘記在心。“接下來的任務(wù)還很重，我們唯有腳踏實(shí)地，踩穩(wěn)每一步，以后的路才能更穩(wěn)、更有力度?！甭劺饺缡钦f，在科研的道路上他始終堅(jiān)守著十年磨一劍？？