向自然学习是原创科学的重要途径。荷叶保持自清洁、水黾在水上行走、鱼在水下保持自清洁、蜘蛛丝和仙人掌在空气中集水、动物角膜保持眼表湿润，这些都是自然界中独特的浸润性现象。实际上，关于超疏水性和超亲水性的浸润性研究已有100多年的历史。但是，对这两种浸润性的研究一直是孤立的。而且，关于超疏水与超亲水的物理化学本质、液体的亲疏界限等核心科学问题仍未得到系统解答。

近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队结合其前期工作基础，总结了从仿生超浸润界面纳米材料到仿生超低能耗过程的研究历程。首先，通过对荷叶表面超疏水和动物角膜超亲水现象的研究，发现微纳米结构和表面化学组成是超疏水和超亲水的物理化学本质，证实了水分子在亲水纳米结构表面上的有序排列是实现超亲水性的关键，并进一步将超疏水和超亲水两个孤立的研究体系协同起来组合成对立统一的超浸润性概念。研究团队揭示了液体亲疏界限对应于纳米结构表面上超亲液和超疏液的转变点，修正了杨氏方程关于所有液体亲疏界限均为90°的定义。通过组合界面体系，发展出超双疏、超双亲、超疏水超亲油，超亲水超疏油4种组合界面。进一步通过在空气、水和油中的组合，构建出一个包含64种组合的超浸润界面纳米材料体系，并将其扩展到不同压力和温度下的13种液体体系。目前，已有十余种超浸润界面纳米材料应用于能源、环境、农业、资源和信息等领域。同时，研究团队还发展了超浸润三相界面化学反应体系。

另一方面，动态超浸润性是指液体在具有纳米结构的二维表面上的超铺展特性，或通过一维微孔或微锥的定向流动特性，甚至是生物或人工纳米通道中离子或分子的超高通量特性。基于对动态超浸润性的研究，研究团队提出了生命科学领域中的关键科学问题：即生命体系是如何实现超低能耗的物质合成、能量转换和信息传输？实验和理论研究表明，生物纳米通道中离子或分子的有序定向集团运动是实现超低能耗过程的物理化学本质。文章进一步列举了仿生超低能耗体系在材料制备、温和合成、能量转换、物质分离、以及信息处理和传输领域的一些应用。文章在最后提出了仿生超低能耗过程研究的未来挑战，包括利用基因编程技术制备人造生物陶瓷、中红外光化学合成、人工肌肉和微动能发电、重水和水分离、信息收集、存储和输出等。

上述综述文章，分别以Bioinspired Superwetting Nanomaterials and Beyond: Ultralow Energy Consumption in High-Efficiency Bio-Synthesis, Energy Conversion, and Information Transmission为题发表在Advanced Materials杂志上，以Bioinspired Superwetting Interfacial Nanomaterials and Beyond: Bionic Ultralow-Energy-Consumption Processes为题发表在ACS Nano杂志上。文章的通讯作者为江雷院士，第一作者为理化所张锡奇研究员。该工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1200402）、北京市自然科学基金（2252057）和国家自然科学基金（52373219）等项目的资助。

原文链接：

Advanced Materials:  https://doi.org/10.1002/adma.202518469

ACS Nano:  https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01607

图1. 从仿生超浸润界面纳米材料到仿生超低能耗过程

图2. 仿生超低能耗过程

图3. 仿生超低能耗过程研究的未来挑战