江雷院士，最新ACS Nano综述！

仿生超浸润界面材料：开启超低能耗过程新纪元

自然界中，荷叶出淤泥而不染、水黾轻盈立于水面、鱼皮水下自洁、蛛丝与仙人刺集雾取水等现象，长期以来激发了科学家对浸润性本质的追问。尽管已知表面粗糙度和化学组成是影响浸润性的关键，但关于超疏水与超亲水的物理化学本质、液体浸润的固有阈值以及生命系统如何实现高效超低能耗过程等核心科学问题，仍未得到系统解答。深入理解这些奥秘，对于设计新型仿生界面材料、破解生命体能量转换机制具有重要意义。

中国科学院理化技术研究所江雷院士、张锡奇研究员团队系统综述了仿生超浸润界面材料最新进展，及其背后蕴含着生命科学中的一个根本性问题：生命系统如何实现超低能耗（UEC）过程，如生物合成、能量转换和信息传递？相关论文以“Bioinspired Superwetting Interfacial Nanomaterials and Beyond: Bionic Ultralow-Energy-Consumption Processes ”为题，发表在 ACS Nano上，论文第一作者为张锡奇研究员。

通过系统研究荷叶、动物角膜等典型自然现象，科学家揭示了微纳结构与表面化学组成的协同作用是实现超疏水和超亲水的物理化学本质，并进一步证实了亲水纳米结构界面上水分子的有序排列是实现超亲水的关键。这一认知将超浸润性定义为超疏水与超亲水的互补统一体，并颠覆了传统杨氏方程中浸润阈值恒为90°的观点，首次提出不同液体在纳米结构表面存在其固有的浸润阈值。在此基础上，一个包含64种组合状态的静态超浸润界面纳米材料体系被建立，并拓展至13种液体在不同压力和温度下的复杂体系，相关材料已在能源、环境、农业等领域获得应用。更重要的是，对动态超浸润现象的研究引出了一个生命科学领域的根本性问题：生命系统如何完成诸如生物合成、能量转换和信息传递等超低能耗过程？实验与理论证据表明，生物纳米通道内分子/离子的有序、定向集体运动是实现超低能耗过程的物理化学本质。

文章开篇即展示了超浸润现象的物理化学本质。通过对比荷叶的超疏水性与动物角膜的超亲水性（图1），清晰地阐明了微纳结构对表面浸润性的放大效应：在疏水表面，微纳结构使水分子排列无序，形成不稳定的三相接触线，从而实现滚动超疏水；而在亲水表面，纳米限域效应增强了水分子的有序排列，降低了表面张力，形成了完全铺展的超亲水界面。

图1 超浸润的物理化学本质：（a）2002年报道的荷叶微纳米结构，其产生超疏水表面。（b）2021年报道的兔角膜微纳米结构，其产生超亲水表面。（c）微纳米结构对疏水表面的增强效应导致超疏水表面的形成。（d）微纳米结构对亲水表面的增强效应导致超亲水表面的形成。

在基础理论方面，文章梳理了超浸润性的发展脉络（图2）。通过在平面硅片与硅纳米阵列上修饰不同端基的硅烷，测量水的接触角（图3），发现平面上的接触角平缓增加，但在纳米结构表面，接触角在约65°处出现明显转折点，证实了水的固有浸润阈值并非杨氏方程所述的90°，而是约65°。对于不同表面张力的液体，其固有浸润阈值也随表面张力降低而系统性减小。这一发现澄清了关于疏水/亲水参考标准的长期困惑，为仿生超浸润界面材料的设计提供了重要的理论依据。

图2 静态超浸润主要发展历程图：该图展示了静态超浸润的理论基础发展，以及超亲水和超疏水表面的研究进展，涵盖天然和人工材料两条路径。静态超浸润体系的拓展包括64种独特润湿状态，以及13种液体在不同压力和温度下的浸润行为。

图3 本征润湿阈值的定义：（a）不同端基硅烷修饰的平整硅片与硅纳米阵列表面的水接触角对比。（b）平整硅片接触角逐渐增大，而硅纳米阵列表面接触角在~65°处出现转折点，表明水的本征润湿阈值为~65°。（c）不同液体的本征润湿阈值随表面张力降低而减小，表明不同液体的本征润湿阈值与杨氏方程规定的90°存在显著偏差。（d）基于疏水力测量得到的水的本征润湿阈值为~65°。

基于阴阳互补的哲学思想，研究将超浸润体系从单一状态拓展至组合状态（图4）。通过在同一表面实现温度响应的超亲水-超疏水可逆转变，并引入超疏油/超亲油状态，将体系从空气界面拓展至油-水界面，衍生出超双疏、超双亲、超疏水-超亲油、超亲水-超疏油四种组合界面。随着鱼鳞水下超疏油、荷叶水下超亲气等性质的发现，该体系进一步涵盖了水下/油下的气、液浸润状态。最终，基于水、油、气三相的排列组合，一个包含64种不同浸润状态的静态超浸润材料体系被完整构建（图5）。这些状态各有其应用前景：例如，利用超亲水和水下超疏气表面制备的纳米结构电极，可大幅提升析氢反应性能；结合超疏水与水下超亲油特性的膜材料，可用于高效油水分离；超双亲自清洁玻璃已应用于国家大剧院；而超双疏自清洁织物则实现了产业化。

图4 超浸润体系的组合：（a）超亲水与超疏水之间的可逆转变。（b）通过引入超疏油与超亲油状态，材料体系拓展至空气中油-水界面的应用。基于此组合，可产生四种组合超浸润界面，包括超双疏、超双亲、超疏水-超亲油和超亲水-超疏油表面。

图5 静态超浸润体系及其应用：空气中平整基底可实现亲液、亲油、疏液、疏油四种本征润湿状态。微纳米结构的引入进一步实现超亲水、超亲油、超疏水、超疏油状态。这八种基本状态可在空气、水、油环境中组合，产生总计64种不同的超浸润状态。（a）超亲水和水下超疏气表面可用于气体析出电极。（b）超疏水和水下超亲油可用于油水分离膜。（c）超疏水和水下超亲气表面可用于制备富氧生物传感芯片。（d）利用超亲水和超亲油表面，可制备具有超双亲特性的自清洁玻璃。（e）超亲油和油下超疏气表面可实现信息终端的相变液体冷却。（f）超疏水和超疏油表面结合可制备超双疏自清洁纺织品。

该静态超浸润体系的应用远不止于此，它还能被拓展至13类液体，并适用于极端压力和温度窗口（图6）。这些液体包括有机液体、金属液体、离子液体等单组分液体，以及电解液、胶体、聚合物熔体、乳液、生物体液和多相流体等复杂体系。基于此平台，研究人员开发了多种前沿应用：利用超亲液表面对生物体液的操控，实现了癌细胞的高效捕获与释放；通过调控高温下的金属液体浸润性，开发出用于有色金属铸造的超疏金属陶瓷；利用聚合物流体在超亲液表面的剪切取向，制备出高性能层状纳米复合材料；通过控制胶体在叶片上的铺展，实现了农药减量增效；此外，耐强酸强碱的超疏液表面可用于防腐，而水下超亲液膜则实现了乳液的高效破乳与分离。

图6 拓展的静态超浸润体系及其应用：静态超浸润体系可拓展至13种液体在不同压力和温度下的浸润行为。液体范围涵盖单组分液体（有机液体、金属液体、液晶、离子液体）和复杂多组分液体，包括电解质溶液（碱性、酸性、盐溶液）、胶体、聚合物、乳液、生物流体、功能流体（铁电、磁性）。环境参数覆盖压力（1-1000 atm）和温度（1-3000 K）范围。（a）超亲液表面与生物流体用于癌症检测。（b）1473K高温下超疏液表面与金属液体用于金属铸造模具及有色金属领域应用。（c）超亲液表面与聚合物液体可通过剪切流导向纳米片取向制备层状纳米复合材料。（d）超亲液表面与胶体用于通过囊泡表面活性剂作用抑制超疏水叶片上的液体飞溅，减少农药使用。（e）耐酸碱超疏液表面可用作防腐材料。（f）水下超亲液表面与乳液用于破乳和乳液分离。

超浸润界面不仅限于静态，更在化学反应中扮演关键角色。基于超浸润性的界面化学反应（图7）通过构建气-液-固三相界面，实现了反应物与产物的高效传质。在电化学反应中，超疏水电极的三相界面诱导了金微花的边缘生长；通过在同一电极上设计超亲气和超疏气区域，利用拉普拉斯压力驱动气泡定向流动，显著提升了析氢反应的电流密度。在酶催化反应中，超疏水三相界面为葡萄糖氧化酶提供了稳定、快速的氧气供给，构建了高选择性、高灵敏度的传感平台。在光催化反应中，三相光催化剂确保了高辐照下光生电荷的有效分离，使反应动力学比传统两相体系提升超30倍。

图7 基于超浸润的界面化学反应：通过表面浸润性与多尺度微纳米结构的协同作用，可设计超浸润表面驱动高效基于超浸润的界面化学反应，包括电化学反应、酶催化反应和光催化反应。（a）超疏水调控的三相界面固-液-气电化学还原用于金微花生长。（b）协同超亲气-超疏气电极用于增强电化学析氢反应。（c）超疏水氧化物电极三相界面过氧化氢还原反应用于可靠传感体系构建。（d）具有三相界面和可调浸润性的葡萄糖氧化酶固定化纳米通道反应器。（e）三相界面光催化剂增强光催化反应。（f）光活性纳米阵列光催化剂表面微环境工程提高光催化反应效率。

动态超浸润是自然界中另一个普遍现象。研究团队系统揭示了水黾腿部、蜘蛛丝、仙人掌刺、猪笼草口缘以及瓶子草毛状体等生物结构定向驱动微液滴的能力（图8，图9）。其基本原理是化学梯度、粗糙度梯度和曲率梯度对微液滴驱动力的协同控制。受此启发，一系列仿生动态超浸润系统被开发出来，用于雾气集水、水下微油滴收集以及可控液体输运。例如，仿蜘蛛丝的人造纤维可用于农业灌溉；仿仙人刺的锥形铜丝可高效收集大气水；而仿毛笔的各向异性结构则实现了量子点墨水的可控沉积，为低成本、高性能光电器件的制备提供了新途径（图9）。

图8. 动态超浸润性与仿生超低能耗过程的主要发展图表。该图表涵盖了通过自然和人工材料策略在动态超浸润性发展方面的进展，以及其向高效生物合成、能量转换、物质分离和信息传递等超低能耗过程的延伸。

图9 动态超浸润体系及其应用：众多生物具有动态超浸润特性。例如，（a）水黾腿，（b）蜘蛛丝，（c）仙人掌表面锥形微结构，以及（d）猪笼草唇部微通道表面和（e）瓶子草毛状体微通道表面均能定向驱动微液滴。（f）动态超浸润微滴驱动的基本原理：化学梯度、粗糙度梯度和曲率梯度协同控制微滴的驱动力。（g）仿蜘蛛丝曲率梯度结构可用于空气中集水和农业灌溉。（h）仿仙人掌超浸润装置可实现水下微油滴收集用于油水分离，应用涵盖城市含油污水处理和冶金废水治理。（i）毛笔的控墨输运。（j）毛笔控墨输运提供了一种直接书写微图案的简便方法。

二维表面上的液体超铺展是动态超浸润的另一种重要形式。研究发现，具有亲水和疏水纳米域周期性交替的超双亲硅片，能够实现水和油的无飞溅超铺展（图10）。这种特性被应用于高效散热和薄膜制备。例如，受中国宣纸启发，研究人员构建了兼具超铺展与抗渗透功能的织物；在凝胶表面，利用液相压力和类液表面的协同作用，实现了液体的超铺展，为功能薄膜的规模化制备开辟了新路径。

图10 液体超铺展体系及其应用：（a）水和油在超双亲硅片表面无飞溅超铺展。（b）固-液-气三相超铺展体系涵盖L/G-OS、L/L-OS、L/L-IS、G/L-OS、L/G-IS。这些体系适用于高表面能和低表面能液体。（c）L/L-IS用于石油回收。（d）L/G-OS用于散热。（e）L/G-OS用于液体铺展。（f）L/L-OS用于聚合物薄膜制备。

对超浸润现象的深入探索，最终引向了对生命过程本质的思考。研究发现，水分子在纳米限域空间（<30 nm）内会形成有序的链状结构，这种有序排列正是实现无飞溅超铺展的内在原因（图11）。这让人联想到生物水通道和离子通道的超快传质速率。例如，直径约0.4 nm的水通道可维持~10⁹ s⁻¹的水通量，而K⁺通道的离子通量也高达~10⁸ s⁻¹。理论分析表明，当限域尺寸与分子/离子尺寸或其双电层厚度（~2λᴅ）相匹配时，受限分子/离子能达到吸引-排斥平衡，形成超快有序的流体（图11）。电鳗通过轻微摆动身体即可产生高电压放电，正暗示了其电极表面离子通道中存在近零电阻的超快有序离子流。

图11 超快速有序分子/离子流体形成的前提条件：（a）水液滴在硅纳米阵列表面无飞溅超铺展。拉曼光谱表明小限域空间（<30 nm）内存在有序水，而较大限域空间可诱导无序水的形成。（b）生物水通道展示超快速分子输运（~10⁹ s⁻¹）。（c）分子限域需通道尺寸~2d₀，使分子能够最小化范德华势能，实现吸引-排斥平衡，组装成超快速有序流体。（d）生物K⁺通道展示超快速离子输运（~10⁸ s⁻¹）。（e）离子限域需通道尺寸~2λD，使离子能够达到静电势能最小化，实现吸引-排斥平衡，组装成超快速有序离子流体。

这种超快有序分子/离子流体被认为是生命系统实现超低能耗过程的关键（图12）。无论是贝壳在常温下的限域结晶、橡胶转移酶在温和条件下的高效合成，还是肌肉收缩、鱼鳃离子调控，乃至仅消耗约20瓦功率的人脑信息处理，其底层逻辑都可能是基于离子通道内超快有序流体的传输。受此启发，一系列仿生超低能耗技术被开发出来（图13，图14）。在材料生长方面，通过纳米限域结晶策略，成功制备了高强度、高韧性的层状纳米复合膜、致密MXene薄膜、仿生人工牙釉质以及高性能光电功能材料阵列。在温和合成方面，仿生纳流控合成策略在室温下实现了Knoevenagel反应、开环反应、乙酸酯香料合成乃至高立体选择性聚合物的高效流动合成，产率和选择性接近100%，停留时间仅数秒。在能量转换方面，仿生非对称纳米通道实现了高效渗透能发电，功率密度屡创新高；而基于超快有序离子流机制，对超级电容器和电池充放电过程的理解也为提升储能器件性能提供了新思路。在物质分离方面，仿鱼鳃的聚酰胺膜实现了极高的Li⁺/Mg²⁺选择性，而晶态多孔有机框架-钯纳米颗粒杂化材料则在常温下实现了突破性的氢-氘分离。

图12 仿生超低能耗过程：（a）生物水通道（~10⁹ s⁻¹）和K⁺通道（~10⁸ s⁻¹）在生理温度下均展示非凡的输运速率，源于纳米限域促进超快速有序分子/离子流体的形成。（b）超低能耗 biosynthesis涵盖材料生长（如贝壳通过限域组装形成）和温和合成（如橡胶转移酶在温和条件下合成天然橡胶）。（c）超低能耗能量转换（如肌肉收缩和电鳗摆动身体发电）和物质分离（如鱼鳃的离子调控）。（d）超低能耗信息传输涵盖信息载体（如神经网络）和信息模型（如大脑的信息存储与输出）。

图13 仿生超低能耗材料生长与温和合成：（a）聚合物纳米限域结晶制备高强高韧层状纳米复合薄膜。（b）通过二维纳米材料纳米空间限域结晶制备高强度可扩展MXene薄膜。（c）通过限域诱导无机纳米材料结晶生长人造牙釉质。（d）通过二维复合纳米材料纳米空间限域结晶制备高强度MXene桥接石墨烯薄膜。（e）有机分子、聚合物和量子点阵列的纳米限域结晶用于光电功能材料。（f）半导体聚合物微结构的纳米限域组装用于晶圆级集成。（g）量子点的纳米限域组装用于多功能集成光子学。（h）RGB有机单晶微腔的纳米限域重结晶用于高分辨率全彩激光显示。（i）调控二维氨基化氧化石墨烯膜层间距用于流动Knoevenagel反应。（j）二维氧化石墨烯膜中的纳流合成实现快速定向流动开环反应，获得优势同构型产物。（k）二维TMO膜中的纳流合成用于乙酸酯类香精的高转化率合成。（l）一维MOF膜中的纳流合成用于环境条件下具有优异立体控制的流动聚合反应。

图14 仿生超低能耗能量转换与物质分离：（a）自然启发的纳米多孔结构实现高性能渗透能量转换。（b）二维限域高度有序Li⁺离子用于充放电过程中的高离子通量示意图。（c）受鱼鳃启发，开发了具有高Li⁺离子选择性的仿生非对称限域纳米多孔膜。（d）通过晶态多孔有机框架-Pd纳米杂化材料在室温下实现突破性氘分离。

为了深入理解生物离子通道的超快传质机理，研究引入了一维晶格模型（图15），发现K⁺通道内有序振荡的离子可发射29-41 THz的电磁波。分子动力学模拟进一步证实，更大的相干序参数导致更高的离子通量，证明了离子有序性是高通量的必要条件，并为生物通道中的量子态存在提供了证据。基于此，研究提出了离子通道中的宏观量子相干态可作为神经信息传递的载体（图16），并以此解释了中医经络理论的科学基础。此外，借鉴心肌细胞Ca²⁺通道随时间编程的开关模式，研究提出了基于时间依赖三维模式的四维信息存储与输出模型，并利用信息超材料构建了仿生计算硬件，为实现超低能耗、超高密度信息处理提供了全新范式。

图15 超快速有序离子流体的物理推导：（a）描述K⁺通道中受限K⁺离子的一维晶格模型，可发射29-41 THz范围内的电磁波。（b）分子动力学模拟表明，较大的相干序参数导致较高的离子通量，证明离子的有序性是高通量的必要条件。

图16 仿生超低能耗信息载体与信息模型：（a）离子通道中的宏观量子相干可能作为神经信息传输的载体。（b）经络与生理功能联系的量子原理表明，合谷穴与牙周神经是共轭的宏观量子态。（c）基于心肌细胞Ca²⁺通道随时间变化的三维模式开/关状态，提出生命系统信息存储与输出的四维模型。（d）基于信息超表面的四维仿生计算系统，具有强大的电磁控制能力。

展望未来，仿生超低能耗过程的研究将在六大前沿领域迎来突破（图17）。第一，遗传陶瓷材料：通过基因编辑与蛋白限域模板技术，实现牙釉质等材料的再生与生长。第二，中红外光合作用：探索低能光子驱动生化反应的新模式，开辟超低能耗温和合成新路径。第三，人工肌肉/微动发电：攻克离子能-机械能-电能高效转换的机理与集成技术瓶颈。第四，氘水/水分离：模拟生物通道，发展在温和条件下实现物理性质极其相似物质的高效分离技术。第五，信息采集：构建具有高灵敏度、强抗噪能力的仿生眼、耳、鼻、舌、皮肤，突破信号转换与级联放大的工程化难题。第六，信息存储/输出：借鉴DNA信息编码与Ca²⁺通道时空编程原理，结合超材料编码，开发集存储与输出于一体的类脑信息处理系统，引领可持续人工智能计算的新时代。

图17 仿生超低能耗过程的未来挑战：仿生超低能耗过程的未来挑战包括遗传陶瓷材料生长、中红外光合作用、人造肌肉/微动发电、D₂O/H₂O分离、信息采集与信息存储/输出。