在经历了亿万年生物进化与自然选择后，大自然诞生了大量精美的生物杰作及其生物结构令人叹为观止的特性，比如，生物尺度多样性、生物形态多样性、结构的精致和完美性、微观结构的高度对称性、生物对环境的抵抗性及适应性，以及在光、电、磁、热、声、力等方面表面出来的对外界刺激的高度智能响应性等，包括自然界生物的结构往往是和它所特有的力学或者功能特性相匹配的，如：广为熟知的自然界中的贝壳本身所独特的有机-无机纳米尺度层状结构，赋予了贝壳与之匹配的极高的断裂韧性；变色蝴蝶的翅膀本身独特的跨尺度结构赋予了它与之匹配的结构色；“维纳斯花篮”深海海绵体动物骨骼根部束状玻璃纤维的束状独特结构，则呈现了与现代商业通信传输光纤的惊人的相似性；飞蛾眼睛复杂的纳米有序排列结构及与之匹配的光线全吸收性等，也体现了自然界生物独特结构与独特功能的匹配与统一。自然界中存在的这些形形色色生物体中的优异结构和优异特性，给人类在不断制造和更新新材料和材料新结构的过程中带来无穷的灵感和启发。“师法自然”，并根据这些生物的独特结构特征设计新材料，进而实现结构——功能一体化的材料设计模式并实现应用化，是新材料设计的主要研究任务之一。

 

　　受自然界生物结构形态完美、结构精致和独特结构-独特功能完美匹配的吸引和诱惑，近年来，笔者所在上海交通大学复合材料国家重点实验室课题组开展了利用自然界生物结构自身化学组成特点及其本征结构转化为“遗态材料”的研究，其特点在于：借用自然界经亿万年优化生物多层次、多维和跨尺度本征结构为模板，通过人工方法，复制和传承其物理结构和内部形态的同时变更其结构化学组成，其目的在于合成制备既有自然界生物精细结构，又有通过对转化产物精细结构内外修饰和组装而人为赋予特性和功能的新材料，其材料内部的结构则往往是人工合成与人工仿生材料所无法匹极和比拟的。该领域是一个多学科深度交叉的崭新研究领域，在国内外学术界逐渐受到关注和重视，已经逐步成为国际范围内的研究热点。

 

　　在该领域的探索和研究过程中，笔者深刻地认识到：1.生物结构从其物理结构上看，既是具有复杂形状和拓扑结构的天然复合材料，又是微观尺度和宏观尺度的有机综合体，其结构和功能特性不仅依赖于自然生物结构组分组成，而且更强烈依赖于随生物结构种类不同而迥异的多尺度孔径尺寸分布（孔径大小一般呈现分子级、纳米级、介孔级、微米级和毫米级多尺度多层次分布）、结构框架之间的孔形状（依据不同生物结构种类呈圆形、方形、六边形、墨水瓶等不同孔形特征）及内部孔隙之间独特孔连接方式（依据生物结构种类不同而呈不同多维度连接）。自然界生物结构中多尺度孔型结构独特性是大自然杰作，其多孔构型高度精细性和高度复杂性是用人工制造和仿生制造方法所无法比拟的；2.自然界生物结构本身具有分级特点，如广为熟知的木材结构：纳米尺度纤维素和木质素构成微米尺度细胞壁，再由微米尺度的细胞壁和不同尺度孔构成整个宏观的木材结构。

 

　　通过以自然界生物结构为模板的“遗态过程”，完全可以为功能陶瓷材料创新构型的创制提供研究理念和思路、为功能陶瓷材料的设计与合成提供新的设计手段和制备途径。以自然界生物结构为模板的“遗态过程”，不仅导致生物结构母相向新陶瓷材料复制相化学成分变异转化，而且保留和传承了原有母相生物结构组织的多尺度孔结构特点：既保留和继承了原始母相孔径尺寸多层次多级分布特征，又传承复制了原始母相内部孔形态和孔连接方式，转化产物陶瓷材料实际上是囊括了大孔——介孔——微孔、并拥有原始生物结构形态特征的生物态多孔陶瓷。生物模板种类多样性、转化陶瓷产物多样性及工艺过程控制多样性为生物态多孔陶瓷选择范围和自由度提供了非常之广的空间，同时通过功能定向设计方法更可使生物态多孔陶瓷具有选择性的优异功能特性。

 

　　合成制备具有自然材料复杂多层次的结构一直是材料化学家们所努力目标，如：在多孔材料领域，孔径大小控制是其持有功能的控制目标之一，孔径在光波长范围内（几百纳米）的有序大孔材料会有独特光学性质和其他性质，有可能作为光子带隙材料在信息产业中发挥重要作用；实际工业应用中催化剂不能是粉末材料，要求是具有一定尺寸（毫米或者次毫米）的颗粒，这些颗粒中介孔和大孔有助于反应物和产物的扩散，多层次孔的材料（从微孔到介孔到大孔）将会有更高的效率；此外囊括大孔——介孔——微孔多级尺寸结构的材料还有很多独特应用价值（如光学器件、波吸收作用、分离技术、控制传输、吸附和传感器等）。因此，这种具有多尺度孔构型特征的生物态陶瓷研究在学术方面具有极高研究价值和在材料应用方面也具有极广的潜在价值。

 

　　笔者深刻地认为：陶瓷的组成、孔形状、孔径尺寸分布、维数、走向及孔道表面性质等孔构型结构参数对其功能起着决定性的作用，采用“遗态”的方法将自然界生物结构转化为生物态陶瓷对于新材料的设计与应用将具有重要的学术价值。但是如何选择自然界的生物模板？如何选择转化的目标产物种类？这些转化产物又将如何发挥什么样的功能？在这个研究领域，这些问题多年来都是一些非常关键的问题。

 

　　基于对上述问题多年的思考，笔者注意到：自然界中能够最大程度利用太阳光的结构是绿色植物的叶片结构，绿色植物利用植物叶片完成光合作用，在完成无机物（如CO2）向有机物（如葡萄糖和淀粉）转换的同时完成光能向化学能的转化。绿色植物叶片的光合作用主要依靠叶绿体中的叶绿素完成，其过程和机理尽管非常复杂，人们还在进一步深入研究中，但是它拥有很多有利于完成整个光合作用的诸多结构特点（如图所示）：1.不同的植物叶片尽管结构不同，但本身厚度都不大，而且均具有大孔、介孔和微孔多级孔的特征，增加了吸收太阳光的比表面积，不同种类植物叶片结构形成了不同类型的、独特多层次和多尺度的孔构型组织；2.存在于叶绿体中的叶绿素并非随机排列，叶绿素有序排列构成了纳米层状分布的类囊体，这种纳米层状分布进一步促进了太阳光的吸收；3.整个绿色植物叶片的主要组分是纤维素、木质素和叶绿素，还有少量的蛋白质和糖类等，其中尤为重要的是叶绿素化学结构是含有Mg的卟啉环结构，其中的Mg可以被某些特殊的金属离子所置换，这为类囊体纳米层状结构的复制提供了理论依据。

 

　　综上，笔者基于多年思考和预研究，提出以绿色植物叶片（包括其中的纳米层状类囊体）结构为模板合成制备植物叶片态多孔光功能氧化物陶瓷，并将植物叶片态多孔光功能陶瓷多尺度构造与其光功能特性之间的关联作为其合成制备科学首要的关键科学问题，提出利用多种手段综合深入研究其多尺度构造的形成特点和规律、影响因素和控制措施，建立植物叶片态多孔陶瓷多尺度构造与其光功能特性之间的关联。其预期特点在于：

 

　　1.植物叶片结构种类不同而导致的大孔——介孔——微孔多尺度孔构型的多样性与模板转化产物的多样性，为植物叶片结构形态的多孔陶瓷的设计与合成空间提供了宽广的自由度和灵活度。

 

　　2.植物叶片本身具有吸收太阳光的结构上的优势，转化后的目标产物材质如果本身就是光功能陶瓷，那么植物叶片态多孔光功能陶瓷将更加有利于借用大自然的杰作，借助光功能陶瓷本身的材质与植物叶片的大自然结构相耦合，大幅度提升光功能陶瓷的功能性能。

 

　　3.通过植物叶片分级结构模板的陶瓷化转化复制，可使植物叶片结构在不改变原有结构的同时出现材质的“旧貌换新颜”，一方面可以为光功能陶瓷的结构设计提供直接的启迪，另一方面为植物叶片的有效利用提供了新途径。

 

　　笔者认为这一研究的学术意义之一，在于摆脱了传统思维方式束缚，提出了一种求异创新设计多孔光功能陶瓷的学术思想和途径，借鉴大自然杰作，借助植物叶片有利于光吸收的多尺度构造与光功能陶瓷材质的耦合，大幅度提升光功能陶瓷的功能特性，属于光功能陶瓷的共性关键技术，该模型可启迪并用于人工光催化剂、太阳能电池、光解水发生器、光——气体智能化传感器件的构造仿生设计等；研究的学术意义之二，在于利用“遗态模板”方法，将来源广泛、成本低廉植物叶片材料转化为光功能陶瓷，借助“材质与自然结构的耦合”使之实现材质的“旧貌换新颜”，因而本研究具有重要的理论科学价值和现实意义。