由智能材料的蓝本

八、由智能材料的蓝本——“细胞”引发的仿生智能膜材

不言而喻，所谓“智能”应该是指一种具有像生物，甚至像人那样的智慧的能力。生物体能够从被动到主动直至能动地去适应和改变环境，这便引发了人们对于材料结构和设计的思考：生物体和人为什么会具有一些十分奇妙的特异功能，如兴奋、抑制、代谢、生殖以及免疫特性呢？研究发现，生物体的基本结构单元是“细胞”，而细胞又恰恰具备着交换信息、转换能量、运输物质的特质。这样人们企盼已久，从依托和模拟细胞功能入手去探索智能材料奥秘的新思路便顺理成章地产生了！1997年以来人们又提出了虚拟细胞（virtual cell，亦称电子细胞，e-cell）的概念。它是应用信息科学的原理和技术，通过数学的计算和分析，对细胞的结构和功能进行分析、整合和应用，以模拟和再现细胞和生命的现象的一门新兴学科，亦称“人工细胞学”或“人工生命学”。它不仅能模拟人体细胞结构和功能，阐明生命活动的反应和规律，了解致病的过程和机理，进行辅助诊断和治疗，而且可以用于药物设计和虚拟试验，还可以用于能源开发和利用，推动仿生科学发展。

最初仿真学的概念于1960年9月由英国材料学家正式提出，是一门将生命过程简化为数学语言，对生物现象进行电子模拟，使人造技术系统具有（或类似）生物特征的科学。当时由于侧重于“神经细胞与感官系统”的研究，取名Biology（生物学）和Electronics（电子学）组合而成的Bionics（仿生电子学），近30余年来研究内容有了扩展，在天然生物材料的基础上“杂化优势”，提出了Biomimetics（仿生学）这一术语。

新一代的纳米化学器件，是一种由小到大，即由原子、分子及其集合体向着较大尺寸，被合成为器件单元的思路加工的，这被称为“第二类制造技术”。近十余年来，从厚度为数百mm的超有机薄膜，到nm级纳米膜，特别是单（或多分子）层人工组装模，由于其结构的新颖和潜在应用前景，特别能引起人们的关注。

Langmuir与Blodgett将含有亲水基团的双亲性分子先溶解于挥发性的溶剂中，在于水平面上形成单分子膜，并以一定方式将膜累积在基片上，这种仿生薄膜叫做“LB膜”。形成LB膜的“双亲基团的两性分子”的一端为“亲水性极性基团”，另一端为“疏水性极性基团”。当该分子化合物的稀释液滴铺在基相（水）液面时，其疏水基团与H₂O分子间的吸引力小于H₂O-H₂O分子间的吸引力，从而不溶于水，呈现出脱离水而自由缔合（只在表面被吸附）的趋势，而其中的亲水基团则与水具有较强的互作用，但又未与H₂O分子凝聚成相。在以上两种相互矛盾的共同作用下，便使得该亚相液面形成了单分子层（如图4-15（a）所示）。在水与空气界面形成分子排列有序的单分子层后，再以不同方式将膜转移至固体基体表面形成稳定的LB膜（如图4-15（b），（c）所示）。LB膜的优点在于：具有分子级的平整程度及材料的高选择性；易于实现微型化、集成化；与生物膜极为相似，易于进行生物、生理现象的研究。但由于缺陷较多、具有较明显的不完整性；与基片的结合仅依靠较微弱的范德华力，稳定性较差，易于受损；设备条件较苛刻，费用较高。然而这毕竟是最早出现的一种分子膜，无疑对以后的发展具有启示作用。

图4-15　亚相液形成单分子层LB膜示意图

所谓超分子组装膜除上述人工膜而外主要还包括自装配（Self-Assemble，SA）膜及自组织（Self-Orgnization，SO）膜。他们可被定义为：在均衡条件下，通过非共价键作用，复杂分子（大部分为有机分子）自发地在液/固（或气/固）基体界面所缔结的热力学稳定的有序膜层。由于它们的形成过程为放热反应，所以具有更高的稳定性。其主要特征为：由于膜是原位自发形成，所以自身便可构成材料及装置；由于具有更高堆积密度和较低缺陷浓度，分子排列有序度更高，所以热力学稳定性更高，基本上呈“结晶态”；易于采用近代表征及操作手段，如电子离子散射技术、原子力显微镜谱、红外光谱等，来研究及调控膜结构；对于有机合成膜的制作灵活性更大，更有利于设计适应基体表面结构的生物相容膜层。

由于自组装人工膜具有自发生成、自身制作以及其独特的生物模拟和生物相容特性，从而在生物、生化传感器以及医疗、药物的研制领域占有独特的优势。日本富士公司利用含偶氮苯的脂质双分子膜制成的“仿生图像传感器”，当吸收450nm～650nm的可见光后，周围脂质发生反～顺光异构化反应，致使分子偶极矩发生变化，诱发电极静电响应而转变成为振荡电信息，在经过信号压缩处理后，可制作具有光检测功能的智能传感器及生物计算机中的高性能图像处理单元，并有望制成人工视网膜。J.D.Brennan开发的选择性吸附蛋白质用脂肪酸支撑膜材，经过NBD-PE（硝基苯噁二唑二棕榈酰磷脂酰乙醇胺）掺杂，当微环境变化导致选择吸附后，可由结构变化引起的荧光信号转变为电信息，成为检测环境极性、pH值、温度、微黏度、分子取向变化等的荧光探针。此外，人工合成膜在微电子和非线性光电子器件上也有很多应用实例，美国海军研究实验室（Navy Research Lab.）J.M.Schaur开发的脂质管金属化技术，可将磷脂质细管先用Pt或Pd修饰，再进行Ni-P化学镀覆，最终获得Φ0.4μm×40μm，50nm Ni膜层的金属细管，由于当导管尺寸小于1/4入射波波长时，增加细管的长径比可使电磁极化特性大大加强，从而可使用该材料制作高电流密度、高亮度的微波源发射阴极及微波器件。