仿生超浸潤(rùn)界面材料：開啟超低能耗過程新紀(jì)元

自然界中，荷葉出淤泥而不染、水黽輕盈立于水面、魚皮水下自潔、蛛絲與仙人刺集霧取水等現(xiàn)象，長(zhǎng)期以來激發(fā)了科學(xué)家對(duì)浸潤(rùn)性本質(zhì)的追問。盡管已知表面粗糙度和化學(xué)組成是影響浸潤(rùn)性的關(guān)鍵，但關(guān)于超疏水與超親水的物理化學(xué)本質(zhì)、液體浸潤(rùn)的固有閾值以及生命系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高效超低能耗過程等核心科學(xué)問題，仍未得到系統(tǒng)解答。深入理解這些奧秘，對(duì)于設(shè)計(jì)新型仿生界面材料、破解生命體能量轉(zhuǎn)換機(jī)制具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士、張錫奇研究員團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)綜述了仿生超浸潤(rùn)界面材料最新進(jìn)展，及其背后蘊(yùn)含著生命科學(xué)中的一個(gè)根本性問題：生命系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)超低能耗（UEC）過程，如生物合成、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞？相關(guān)論文以“Bioinspired Superwetting Interfacial Nanomaterials and Beyond: Bionic Ultralow-Energy-Consumption Processes ”為題，發(fā)表在 ACS Nano上，論文第一作者為張錫奇研究員。

通過系統(tǒng)研究荷葉、動(dòng)物角膜等典型自然現(xiàn)象，科學(xué)家揭示了微納結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)組成的協(xié)同作用是實(shí)現(xiàn)超疏水和超親水的物理化學(xué)本質(zhì)，并進(jìn)一步證實(shí)了親水納米結(jié)構(gòu)界面上水分子的有序排列是實(shí)現(xiàn)超親水的關(guān)鍵。這一認(rèn)知將超浸潤(rùn)性定義為超疏水與超親水的互補(bǔ)統(tǒng)一體，并顛覆了傳統(tǒng)楊氏方程中浸潤(rùn)閾值恒為90°的觀點(diǎn)，首次提出不同液體在納米結(jié)構(gòu)表面存在其固有的浸潤(rùn)閾值。在此基礎(chǔ)上，一個(gè)包含64種組合狀態(tài)的靜態(tài)超浸潤(rùn)界面納米材料體系被建立，并拓展至13種液體在不同壓力和溫度下的復(fù)雜體系，相關(guān)材料已在能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。更重要的是，對(duì)動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)現(xiàn)象的研究引出了一個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的根本性問題：生命系統(tǒng)如何完成諸如生物合成、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞等超低能耗過程？實(shí)驗(yàn)與理論證據(jù)表明，生物納米通道內(nèi)分子/離子的有序、定向集體運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)超低能耗過程的物理化學(xué)本質(zhì)。

文章開篇即展示了超浸潤(rùn)現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì)。通過對(duì)比荷葉的超疏水性與動(dòng)物角膜的超親水性（圖1），清晰地闡明了微納結(jié)構(gòu)對(duì)表面浸潤(rùn)性的放大效應(yīng)：在疏水表面，微納結(jié)構(gòu)使水分子排列無序，形成不穩(wěn)定的三相接觸線，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)超疏水；而在親水表面，納米限域效應(yīng)增強(qiáng)了水分子的有序排列，降低了表面張力，形成了完全鋪展的超親水界面。

圖1 超浸潤(rùn)的物理化學(xué)本質(zhì)：（a）2002年報(bào)道的荷葉微納米結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生超疏水表面。（b）2021年報(bào)道的兔角膜微納米結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生超親水表面。（c）微納米結(jié)構(gòu)對(duì)疏水表面的增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致超疏水表面的形成。（d）微納米結(jié)構(gòu)對(duì)親水表面的增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致超親水表面的形成。

在基礎(chǔ)理論方面，文章梳理了超浸潤(rùn)性的發(fā)展脈絡(luò)（圖2）。通過在平面硅片與硅納米陣列上修飾不同端基的硅烷，測(cè)量水的接觸角（圖3），發(fā)現(xiàn)平面上的接觸角平緩增加，但在納米結(jié)構(gòu)表面，接觸角在約65°處出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，證實(shí)了水的固有浸潤(rùn)閾值并非楊氏方程所述的90°，而是約65°。對(duì)于不同表面張力的液體，其固有浸潤(rùn)閾值也隨表面張力降低而系統(tǒng)性減小。這一發(fā)現(xiàn)澄清了關(guān)于疏水/親水參考標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期困惑，為仿生超浸潤(rùn)界面材料的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

圖2 靜態(tài)超浸潤(rùn)主要發(fā)展歷程圖：該圖展示了靜態(tài)超浸潤(rùn)的理論基礎(chǔ)發(fā)展，以及超親水和超疏水表面的研究進(jìn)展，涵蓋天然和人工材料兩條路徑。靜態(tài)超浸潤(rùn)體系的拓展包括64種獨(dú)特潤(rùn)濕狀態(tài)，以及13種液體在不同壓力和溫度下的浸潤(rùn)行為。

圖3 本征潤(rùn)濕閾值的定義：（a）不同端基硅烷修飾的平整硅片與硅納米陣列表面的水接觸角對(duì)比。（b）平整硅片接觸角逐漸增大，而硅納米陣列表面接觸角在~65°處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明水的本征潤(rùn)濕閾值為~65°。（c）不同液體的本征潤(rùn)濕閾值隨表面張力降低而減小，表明不同液體的本征潤(rùn)濕閾值與楊氏方程規(guī)定的90°存在顯著偏差。（d）基于疏水力測(cè)量得到的水的本征潤(rùn)濕閾值為~65°。

基于陰陽(yáng)互補(bǔ)的哲學(xué)思想，研究將超浸潤(rùn)體系從單一狀態(tài)拓展至組合狀態(tài)（圖4）。通過在同一表面實(shí)現(xiàn)溫度響應(yīng)的超親水-超疏水可逆轉(zhuǎn)變，并引入超疏油/超親油狀態(tài)，將體系從空氣界面拓展至油-水界面，衍生出超雙疏、超雙親、超疏水-超親油、超親水-超疏油四種組合界面。隨著魚鱗水下超疏油、荷葉水下超親氣等性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，該體系進(jìn)一步涵蓋了水下/油下的氣、液浸潤(rùn)狀態(tài)。最終，基于水、油、氣三相的排列組合，一個(gè)包含64種不同浸潤(rùn)狀態(tài)的靜態(tài)超浸潤(rùn)材料體系被完整構(gòu)建（圖5）。這些狀態(tài)各有其應(yīng)用前景：例如，利用超親水和水下超疏氣表面制備的納米結(jié)構(gòu)電極，可大幅提升析氫反應(yīng)性能；結(jié)合超疏水與水下超親油特性的膜材料，可用于高效油水分離；超雙親自清潔玻璃已應(yīng)用于國(guó)家大劇院；而超雙疏自清潔織物則實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

圖4 超浸潤(rùn)體系的組合：（a）超親水與超疏水之間的可逆轉(zhuǎn)變。（b）通過引入超疏油與超親油狀態(tài)，材料體系拓展至空氣中油-水界面的應(yīng)用?；诖私M合，可產(chǎn)生四種組合超浸潤(rùn)界面，包括超雙疏、超雙親、超疏水-超親油和超親水-超疏油表面。

圖5 靜態(tài)超浸潤(rùn)體系及其應(yīng)用：空氣中平整基底可實(shí)現(xiàn)親液、親油、疏液、疏油四種本征潤(rùn)濕狀態(tài)。微納米結(jié)構(gòu)的引入進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超親水、超親油、超疏水、超疏油狀態(tài)。這八種基本狀態(tài)可在空氣、水、油環(huán)境中組合，產(chǎn)生總計(jì)64種不同的超浸潤(rùn)狀態(tài)。（a）超親水和水下超疏氣表面可用于氣體析出電極。（b）超疏水和水下超親油可用于油水分離膜。（c）超疏水和水下超親氣表面可用于制備富氧生物傳感芯片。（d）利用超親水和超親油表面，可制備具有超雙親特性的自清潔玻璃。（e）超親油和油下超疏氣表面可實(shí)現(xiàn)信息終端的相變液體冷卻。（f）超疏水和超疏油表面結(jié)合可制備超雙疏自清潔紡織品。

該靜態(tài)超浸潤(rùn)體系的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此，它還能被拓展至13類液體，并適用于極端壓力和溫度窗口（圖6）。這些液體包括有機(jī)液體、金屬液體、離子液體等單組分液體，以及電解液、膠體、聚合物熔體、乳液、生物體液和多相流體等復(fù)雜體系?；诖似脚_(tái)，研究人員開發(fā)了多種前沿應(yīng)用：利用超親液表面對(duì)生物體液的操控，實(shí)現(xiàn)了癌細(xì)胞的高效捕獲與釋放；通過調(diào)控高溫下的金屬液體浸潤(rùn)性，開發(fā)出用于有色金屬鑄造的超疏金屬陶瓷；利用聚合物流體在超親液表面的剪切取向，制備出高性能層狀納米復(fù)合材料；通過控制膠體在葉片上的鋪展，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥減量增效；此外，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿的超疏液表面可用于防腐，而水下超親液膜則實(shí)現(xiàn)了乳液的高效破乳與分離。

圖6 拓展的靜態(tài)超浸潤(rùn)體系及其應(yīng)用：靜態(tài)超浸潤(rùn)體系可拓展至13種液體在不同壓力和溫度下的浸潤(rùn)行為。液體范圍涵蓋單組分液體（有機(jī)液體、金屬液體、液晶、離子液體）和復(fù)雜多組分液體，包括電解質(zhì)溶液（堿性、酸性、鹽溶液）、膠體、聚合物、乳液、生物流體、功能流體（鐵電、磁性）。環(huán)境參數(shù)覆蓋壓力（1-1000 atm）和溫度（1-3000 K）范圍。（a）超親液表面與生物流體用于癌癥檢測(cè)。（b）1473K高溫下超疏液表面與金屬液體用于金屬鑄造模具及有色金屬領(lǐng)域應(yīng)用。（c）超親液表面與聚合物液體可通過剪切流導(dǎo)向納米片取向制備層狀納米復(fù)合材料。（d）超親液表面與膠體用于通過囊泡表面活性劑作用抑制超疏水葉片上的液體飛濺，減少農(nóng)藥使用。（e）耐酸堿超疏液表面可用作防腐材料。（f）水下超親液表面與乳液用于破乳和乳液分離。

超浸潤(rùn)界面不僅限于靜態(tài)，更在化學(xué)反應(yīng)中扮演關(guān)鍵角色。基于超浸潤(rùn)性的界面化學(xué)反應(yīng)（圖7）通過構(gòu)建氣-液-固三相界面，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物與產(chǎn)物的高效傳質(zhì)。在電化學(xué)反應(yīng)中，超疏水電極的三相界面誘導(dǎo)了金微花的邊緣生長(zhǎng)；通過在同一電極上設(shè)計(jì)超親氣和超疏氣區(qū)域，利用拉普拉斯壓力驅(qū)動(dòng)氣泡定向流動(dòng)，顯著提升了析氫反應(yīng)的電流密度。在酶催化反應(yīng)中，超疏水三相界面為葡萄糖氧化酶提供了穩(wěn)定、快速的氧氣供給，構(gòu)建了高選擇性、高靈敏度的傳感平臺(tái)。在光催化反應(yīng)中，三相光催化劑確保了高輻照下光生電荷的有效分離，使反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比傳統(tǒng)兩相體系提升超30倍。

圖7 基于超浸潤(rùn)的界面化學(xué)反應(yīng)：通過表面浸潤(rùn)性與多尺度微納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可設(shè)計(jì)超浸潤(rùn)表面驅(qū)動(dòng)高效基于超浸潤(rùn)的界面化學(xué)反應(yīng)，包括電化學(xué)反應(yīng)、酶催化反應(yīng)和光催化反應(yīng)。（a）超疏水調(diào)控的三相界面固-液-氣電化學(xué)還原用于金微花生長(zhǎng)。（b）協(xié)同超親氣-超疏氣電極用于增強(qiáng)電化學(xué)析氫反應(yīng)。（c）超疏水氧化物電極三相界面過氧化氫還原反應(yīng)用于可靠傳感體系構(gòu)建。（d）具有三相界面和可調(diào)浸潤(rùn)性的葡萄糖氧化酶固定化納米通道反應(yīng)器。（e）三相界面光催化劑增強(qiáng)光催化反應(yīng)。（f）光活性納米陣列光催化劑表面微環(huán)境工程提高光催化反應(yīng)效率。

動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)是自然界中另一個(gè)普遍現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了水黽腿部、蜘蛛絲、仙人掌刺、豬籠草口緣以及瓶子草毛狀體等生物結(jié)構(gòu)定向驅(qū)動(dòng)微液滴的能力（圖8，圖9）。其基本原理是化學(xué)梯度、粗糙度梯度和曲率梯度對(duì)微液滴驅(qū)動(dòng)力的協(xié)同控制。受此啟發(fā)，一系列仿生動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)系統(tǒng)被開發(fā)出來，用于霧氣集水、水下微油滴收集以及可控液體輸運(yùn)。例如，仿蜘蛛絲的人造纖維可用于農(nóng)業(yè)灌溉；仿仙人刺的錐形銅絲可高效收集大氣水；而仿毛筆的各向異性結(jié)構(gòu)則實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)墨水的可控沉積，為低成本、高性能光電器件的制備提供了新途徑（圖9）。

圖8. 動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)性與仿生超低能耗過程的主要發(fā)展圖表。該圖表涵蓋了通過自然和人工材料策略在動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)性發(fā)展方面的進(jìn)展，以及其向高效生物合成、能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)分離和信息傳遞等超低能耗過程的延伸。

圖9 動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)體系及其應(yīng)用：眾多生物具有動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)特性。例如，（a）水黽腿，（b）蜘蛛絲，（c）仙人掌表面錐形微結(jié)構(gòu)，以及（d）豬籠草唇部微通道表面和（e）瓶子草毛狀體微通道表面均能定向驅(qū)動(dòng)微液滴。（f）動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)微滴驅(qū)動(dòng)的基本原理：化學(xué)梯度、粗糙度梯度和曲率梯度協(xié)同控制微滴的驅(qū)動(dòng)力。（g）仿蜘蛛絲曲率梯度結(jié)構(gòu)可用于空氣中集水和農(nóng)業(yè)灌溉。（h）仿仙人掌超浸潤(rùn)裝置可實(shí)現(xiàn)水下微油滴收集用于油水分離，應(yīng)用涵蓋城市含油污水處理和冶金廢水治理。（i）毛筆的控墨輸運(yùn)。（j）毛筆控墨輸運(yùn)提供了一種直接書寫微圖案的簡(jiǎn)便方法。

二維表面上的液體超鋪展是動(dòng)態(tài)超浸潤(rùn)的另一種重要形式。研究發(fā)現(xiàn)，具有親水和疏水納米域周期性交替的超雙親硅片，能夠?qū)崿F(xiàn)水和油的無飛濺超鋪展（圖10）。這種特性被應(yīng)用于高效散熱和薄膜制備。例如，受中國(guó)宣紙啟發(fā)，研究人員構(gòu)建了兼具超鋪展與抗?jié)B透功能的織物；在凝膠表面，利用液相壓力和類液表面的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了液體的超鋪展，為功能薄膜的規(guī)模化制備開辟了新路徑。

圖10 液體超鋪展體系及其應(yīng)用：（a）水和油在超雙親硅片表面無飛濺超鋪展。（b）固-液-氣三相超鋪展體系涵蓋L/G-OS、L/L-OS、L/L-IS、G/L-OS、L/G-IS。這些體系適用于高表面能和低表面能液體。（c）L/L-IS用于石油回收。（d）L/G-OS用于散熱。（e）L/G-OS用于液體鋪展。（f）L/L-OS用于聚合物薄膜制備。

對(duì)超浸潤(rùn)現(xiàn)象的深入探索，最終引向了對(duì)生命過程本質(zhì)的思考。研究發(fā)現(xiàn)，水分子在納米限域空間（<30 nm）內(nèi)會(huì)形成有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，這種有序排列正是實(shí)現(xiàn)無飛濺超鋪展的內(nèi)在原因（圖11）。這讓人聯(lián)想到生物水通道和離子通道的超快傳質(zhì)速率。例如，直徑約0.4 nm的水通道可維持~10? s?1的水通量，而K?通道的離子通量也高達(dá)~10? s?1。理論分析表明，當(dāng)限域尺寸與分子/離子尺寸或其雙電層厚度（~2λ?）相匹配時(shí)，受限分子/離子能達(dá)到吸引-排斥平衡，形成超快有序的流體（圖11）。電鰻通過輕微擺動(dòng)身體即可產(chǎn)生高電壓放電，正暗示了其電極表面離子通道中存在近零電阻的超快有序離子流。

圖11 超快速有序分子/離子流體形成的前提條件：（a）水液滴在硅納米陣列表面無飛濺超鋪展。拉曼光譜表明小限域空間（<30 nm）內(nèi)存在有序水，而較大限域空間可誘導(dǎo)無序水的形成。（b）生物水通道展示超快速分子輸運(yùn)（~10? s?1）。（c）分子限域需通道尺寸~2d?，使分子能夠最小化范德華勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)吸引-排斥平衡，組裝成超快速有序流體。（d）生物K?通道展示超快速離子輸運(yùn)（~10? s?1）。（e）離子限域需通道尺寸~2λD，使離子能夠達(dá)到靜電勢(shì)能最小化，實(shí)現(xiàn)吸引-排斥平衡，組裝成超快速有序離子流體。

這種超快有序分子/離子流體被認(rèn)為是生命系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超低能耗過程的關(guān)鍵（圖12）。無論是貝殼在常溫下的限域結(jié)晶、橡膠轉(zhuǎn)移酶在溫和條件下的高效合成，還是肌肉收縮、魚鰓離子調(diào)控，乃至僅消耗約20瓦功率的人腦信息處理，其底層邏輯都可能是基于離子通道內(nèi)超快有序流體的傳輸。受此啟發(fā)，一系列仿生超低能耗技術(shù)被開發(fā)出來（圖13，圖14）。在材料生長(zhǎng)方面，通過納米限域結(jié)晶策略，成功制備了高強(qiáng)度、高韌性的層狀納米復(fù)合膜、致密MXene薄膜、仿生人工牙釉質(zhì)以及高性能光電功能材料陣列。在溫和合成方面，仿生納流控合成策略在室溫下實(shí)現(xiàn)了Knoevenagel反應(yīng)、開環(huán)反應(yīng)、乙酸酯香料合成乃至高立體選擇性聚合物的高效流動(dòng)合成，產(chǎn)率和選擇性接近100%，停留時(shí)間僅數(shù)秒。在能量轉(zhuǎn)換方面，仿生非對(duì)稱納米通道實(shí)現(xiàn)了高效滲透能發(fā)電，功率密度屢創(chuàng)新高；而基于超快有序離子流機(jī)制，對(duì)超級(jí)電容器和電池充放電過程的理解也為提升儲(chǔ)能器件性能提供了新思路。在物質(zhì)分離方面，仿魚鰓的聚酰胺膜實(shí)現(xiàn)了極高的Li?/Mg2?選擇性，而晶態(tài)多孔有機(jī)框架-鈀納米顆粒雜化材料則在常溫下實(shí)現(xiàn)了突破性的氫-氘分離。

圖12 仿生超低能耗過程：（a）生物水通道（~10? s?1）和K?通道（~10? s?1）在生理溫度下均展示非凡的輸運(yùn)速率，源于納米限域促進(jìn)超快速有序分子/離子流體的形成。（b）超低能耗 biosynthesis涵蓋材料生長(zhǎng)（如貝殼通過限域組裝形成）和溫和合成（如橡膠轉(zhuǎn)移酶在溫和條件下合成天然橡膠）。（c）超低能耗能量轉(zhuǎn)換（如肌肉收縮和電鰻擺動(dòng)身體發(fā)電）和物質(zhì)分離（如魚鰓的離子調(diào)控）。（d）超低能耗信息傳輸涵蓋信息載體（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）和信息模型（如大腦的信息存儲(chǔ)與輸出）。

圖13 仿生超低能耗材料生長(zhǎng)與溫和合成：（a）聚合物納米限域結(jié)晶制備高強(qiáng)高韌層狀納米復(fù)合薄膜。（b）通過二維納米材料納米空間限域結(jié)晶制備高強(qiáng)度可擴(kuò)展MXene薄膜。（c）通過限域誘導(dǎo)無機(jī)納米材料結(jié)晶生長(zhǎng)人造牙釉質(zhì)。（d）通過二維復(fù)合納米材料納米空間限域結(jié)晶制備高強(qiáng)度MXene橋接石墨烯薄膜。（e）有機(jī)分子、聚合物和量子點(diǎn)陣列的納米限域結(jié)晶用于光電功能材料。（f）半導(dǎo)體聚合物微結(jié)構(gòu)的納米限域組裝用于晶圓級(jí)集成。（g）量子點(diǎn)的納米限域組裝用于多功能集成光子學(xué)。（h）RGB有機(jī)單晶微腔的納米限域重結(jié)晶用于高分辨率全彩激光顯示。（i）調(diào)控二維氨基化氧化石墨烯膜層間距用于流動(dòng)Knoevenagel反應(yīng)。（j）二維氧化石墨烯膜中的納流合成實(shí)現(xiàn)快速定向流動(dòng)開環(huán)反應(yīng)，獲得優(yōu)勢(shì)同構(gòu)型產(chǎn)物。（k）二維TMO膜中的納流合成用于乙酸酯類香精的高轉(zhuǎn)化率合成。（l）一維MOF膜中的納流合成用于環(huán)境條件下具有優(yōu)異立體控制的流動(dòng)聚合反應(yīng)。

圖14 仿生超低能耗能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)分離：（a）自然啟發(fā)的納米多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能滲透能量轉(zhuǎn)換。（b）二維限域高度有序Li?離子用于充放電過程中的高離子通量示意圖。（c）受魚鰓啟發(fā)，開發(fā)了具有高Li?離子選擇性的仿生非對(duì)稱限域納米多孔膜。（d）通過晶態(tài)多孔有機(jī)框架-Pd納米雜化材料在室溫下實(shí)現(xiàn)突破性氘分離。

為了深入理解生物離子通道的超快傳質(zhì)機(jī)理，研究引入了一維晶格模型（圖15），發(fā)現(xiàn)K?通道內(nèi)有序振蕩的離子可發(fā)射29-41 THz的電磁波。分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步證實(shí)，更大的相干序參數(shù)導(dǎo)致更高的離子通量，證明了離子有序性是高通量的必要條件，并為生物通道中的量子態(tài)存在提供了證據(jù)?；诖耍芯刻岢隽穗x子通道中的宏觀量子相干態(tài)可作為神經(jīng)信息傳遞的載體（圖16），并以此解釋了中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論的科學(xué)基礎(chǔ)。此外，借鑒心肌細(xì)胞Ca2?通道隨時(shí)間編程的開關(guān)模式，研究提出了基于時(shí)間依賴三維模式的四維信息存儲(chǔ)與輸出模型，并利用信息超材料構(gòu)建了仿生計(jì)算硬件，為實(shí)現(xiàn)超低能耗、超高密度信息處理提供了全新范式。

圖15 超快速有序離子流體的物理推導(dǎo)：（a）描述K?通道中受限K?離子的一維晶格模型，可發(fā)射29-41 THz范圍內(nèi)的電磁波。（b）分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，較大的相干序參數(shù)導(dǎo)致較高的離子通量，證明離子的有序性是高通量的必要條件。

圖16 仿生超低能耗信息載體與信息模型：（a）離子通道中的宏觀量子相干可能作為神經(jīng)信息傳輸?shù)妮d體。（b）經(jīng)絡(luò)與生理功能聯(lián)系的量子原理表明，合谷穴與牙周神經(jīng)是共軛的宏觀量子態(tài)。（c）基于心肌細(xì)胞Ca2?通道隨時(shí)間變化的三維模式開/關(guān)狀態(tài)，提出生命系統(tǒng)信息存儲(chǔ)與輸出的四維模型。（d）基于信息超表面的四維仿生計(jì)算系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的電磁控制能力。

展望未來，仿生超低能耗過程的研究將在六大前沿領(lǐng)域迎來突破（圖17）。第一，遺傳陶瓷材料：通過基因編輯與蛋白限域模板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)牙釉質(zhì)等材料的再生與生長(zhǎng)。第二，中紅外光合作用：探索低能光子驅(qū)動(dòng)生化反應(yīng)的新模式，開辟超低能耗溫和合成新路徑。第三，人工肌肉/微動(dòng)發(fā)電：攻克離子能-機(jī)械能-電能高效轉(zhuǎn)換的機(jī)理與集成技術(shù)瓶頸。第四，氘水/水分離：模擬生物通道，發(fā)展在溫和條件下實(shí)現(xiàn)物理性質(zhì)極其相似物質(zhì)的高效分離技術(shù)。第五，信息采集：構(gòu)建具有高靈敏度、強(qiáng)抗噪能力的仿生眼、耳、鼻、舌、皮膚，突破信號(hào)轉(zhuǎn)換與級(jí)聯(lián)放大的工程化難題。第六，信息存儲(chǔ)/輸出：借鑒DNA信息編碼與Ca2?通道時(shí)空編程原理，結(jié)合超材料編碼，開發(fā)集存儲(chǔ)與輸出于一體的類腦信息處理系統(tǒng)，引領(lǐng)可持續(xù)人工智能計(jì)算的新時(shí)代。

圖17 仿生超低能耗過程的未來挑戰(zhàn)：仿生超低能耗過程的未來挑戰(zhàn)包括遺傳陶瓷材料生長(zhǎng)、中紅外光合作用、人造肌肉/微動(dòng)發(fā)電、D?O/H?O分離、信息采集與信息存儲(chǔ)/輸出。