纳米小人_仿生学里还有哪些「纳米小人」这样的奇葩?

有哪些很有趣的仿生学研究成果？

　　winningman，Ph.D. in chemistry

看到这个问题，我马上想到了这篇脑洞大开的文献。

2003 年，在有机化学领域著名的学术期刊 The Journal of Organic Chemistry 上，一个叫 James M. Tour 的美国化学家宣称他可以合成出一个长的像小人的有机分子，他还给它起了个名字叫“纳米小孩”（Nanokid）。

这还不算完，他说这个小孩还能换各种头像，于是就变成了“纳米运动员”、“纳米皇上”、“纳米小丑”等等。这不是我起的名字啊，原文就是这么个称呼（看下图的英文）。

看到这我已经五雷轰顶了，结果再往下拉发现作者意犹未尽。

把下半身的官能团换一换，这小孩还能跳舞换动作。

而且不光是一个小孩跳舞，还能跳双人舞或者多人舞。

看完这篇文献三观都变得不稳定了。

好了，热身完毕，书归正传。

话说在化学界的仿生研究还真不少，我就从化学材料的角度说几个例子。

1. 具有自愈合功能的高分子材料。

仿照来源：皮肤等人体器官

生物器官组织的自愈合功能就不用多介绍了吧，比如皮肤一旦出现伤口，就会在一定时间内愈合。

这个性质其实是材料科学家梦寐以求的，因为可以极大延长材料的使用时间。当然现在已经开发出来的自愈合高分子材料的实现机理比较多，提出的比较早并且也是使用最为广泛的就是预先在高分子材料中包埋一些微胶囊，这些胶囊里含有一些修复试剂（很多体系采用聚合物的单体与相应的聚合引发剂）。材料的破损往往伴随着里面出现一些细小的裂纹，它们会使这些微胶囊里面的试剂彼此混合起来，如此单体一旦遇到它的聚合引发剂就聚合成聚合物，你可以简单地理解成这些聚合物又把断裂的部分重新“粘牢”。

很多研究对象的力学性能可以实现很大程度的修复，有的直接观察就可以发现破损明显地愈合。

作为一个高分子行业的研究者，我也很欣慰地看到市面上已经出现一些使用了自愈合高分子的商品，比如手机贴膜、轮胎材料等等，我在回答“自修补轮胎什么时候问世的？ ”曾经详细介绍过，感兴趣的童鞋可以移步看一下。

2. 能在小鼠血液中识别并清除毒素的“塑料抗体”。

仿照来源：抗体与抗原的相互作用

学过高中生物的就知道抗体与抗原彼此识别的原因：抗原决定簇与抗体分子之间有着结构互补性与亲和性（包括静电相互作用、亲疏水相互作用、氢键等），简单地可类比于拼图，也就是利用尺寸、结构的匹配性。

受这样的原理启发，日本科学家 Yu Hoshino 发明过一种可以有效识别与结合蜂毒素的纳米粒子，由于基材是高分子，他把它形象地称为“塑料抗体”。

他的设计思想就非常巧妙。在制备高分子纳米粒子的过程中引入蜂毒素（下面示意图中的绿色块）本身，那么蜂毒素就会随机分布在纳米粒子之上。再采用特殊的方法将蜂毒素刻蚀掉，那么与蜂毒素匹配的互补空间结构位点就留了下来（这种技术叫做分子印迹技术，现在是高分子学界的一项热门研究领域）。这就有点像假如你一开始坐在沙滩上，后来你拍拍屁股走了，但是你屁股的形状留在了沙滩上（我怎么想象出了这么一个奇葩的比喻？）。既然拥有与蜂毒素相匹配结合的位点，所以这种纳米粒子能再次有效结合蜂毒素，发挥抗体的作用。

不过我不知道现在医用的抗体有没有用这种技术生产出来的，希望学医的小伙伴们赐教。

3. 防反光涂层

仿照来源： 蛾眼

蛾眼有一种特殊的功能：非常有效地减少反射光。这其实和蛾眼的微结构是有关的，它的眼睛上有一层紧密排列的纳米凸起结构，在高度与间隔上一般小于 300 纳米，这个尺寸一般比光的波长要小，而折射率自上而下连续变化，所以入射光线基本都被凸起结构吸收，几乎不发生反射。

几乎就是照抄蛾眼的结构，华裔科学家 Peng Jiang 构筑了具有类似结构的材料表面，这种人工合成的材料具有和蛾眼同样逆天的防反光效果。

这项技术现在其实已经产业化用于电视中。可以有效降低电视屏幕的反光，从而提高色彩的对比度与鲜明度。

4. 高粘结性表面

仿照来源：壁虎足底微纤毛

壁虎的独特功能就是能强力地粘在墙壁表面上，甚至可以倒挂。现在已经清楚这是由于壁虎足底的微纤毛，使得表面分子间的毛细作用力与范德华力都非常大。其实很多昆虫也都是如此。

受此启发，材料科学家将构造出一些含有类似结构的表面，可以认为是新结构的“粘合剂”。有的甚至可以在水环境中发挥作用。

5. 具有明确序列的合成高分子

仿照来源：蛋白质

蛋白质是一种典型的天然高分子。任何一个蛋白质，它的一级结构（也就是氨基酸序列结构）、分子量都是明确的。这就决定了蛋白质分子有着明确的二级结构和特定的功能。很多基因疾病就是因为蛋白质中某一个氨基酸是错误的。

比如下图就是我在问题“多巴胺是什么？它有哪些功能？ ”提到的贻贝足丝分泌的一种粘性蛋白的氨基酸序列，这样一个序列的结构才决定了它的特殊功能。

另一方面，目前的合成高分子就相形见绌了。首先，无论是逐步聚合还是链式聚合，任何一批合成高分子实际上是各种聚合度的混合物，也就是既有短链，又有长链。如果是共聚物的话，即便两条链的聚合度碰巧相同，它的不同单体在链上的分布位置肯定是有差别的。这也就是为什么目前的合成高分子还远不能实现诸如蛋白质等生物大分子的精确性与复杂功能。可以设想，如果能够解决合成高分子的精确序列问题，并且方法简单、能够量产，那将对人类材料产生革命性的影响。

于是在这样的背景下，近十年里高分子学界刮起了一股猛烈的“序列风”。各个国家三教九流都疯了一般地寻找合成高分子的序列控制方法，也发表了很多文献，但是很遗憾，目前的研究成果大都是小打小闹，空有概念，在实验室做做还行，无法真正应用的实际生产。比较靠谱就是 Merrifield 发明的多肽固相合成，但是也无法量产，聚合度也有限。

就先这几个例子吧。

有的时候我就很佩服生物经过亿万年生物选择的过程后所体现出来的五花八门的功能。而且从新材料、新机械的开发来讲，跟生物学习找到灵感并进行模仿真的是事半功倍。仿生，这种科研思路进行的探索，以前不少，以后，更会如火如荼。

参考文献

Chanteau, S. H.; Tour, J. M., Synthesis of Anthropomorphic Molecules:? The NanoPutians. The Journal of Organic Chemistry 2003,68 (23), 8750-8766.

White, S. R.; Sottos, N. R.; Geubelle, P. H.; Moore, J. S.; Kessler, M. R.; Sriram, S. R.; Brown, E. N.; Viswanathan, S., Autonomic healing of polymer composites. Nature 2001,409 (6822), 794-797.

Hoshino, Y.; Koide, H.; Urakami, T.; Kanazawa, H.; Kodama, T.; Oku, N.; Shea, K. J., Recognition, Neutralization, and Clearance of Target Peptides in the Bloodstream of Living Mice by Molecularly Imprinted Polymer Nanoparticles: A Plastic Antibody. J. Am. Chem. Soc. 2010,132 (19), 6644-6645.

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Lutz, J.-F.; Ouchi, M.; Liu, D. R.; Sawamoto, M., Sequence-controlled polymers. Science 2013,341 (6146), 1238149.

Lee, B. P.; Messersmith, P. B.; Israelachvili, J. N.; Waite, J. H., Mussel-Inspired Adhesives and Coatings. In Annual Review of Materials Research, Vol 41, Clarke, D. R.; Fratzl, P., Eds. 2011; Vol. 41, pp 99-132.

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