模仿大自然的創新：科學家研發多功能3D人工鯊魚皮
在韓國漢陽大學的一項新研究中，科學家成功模仿了自然界中鯊魚皮的結構，創造出一種多功能的三維人工鯊魚皮。這項研究發表在《先進材料》期刊上，首次製造出了重疊的微小鯊魚鱗片（微齒），這些微齒帶有尖銳的微紋理。
鯊魚在深海中高速游泳，部分歸功於它們極佳的減阻能力。鯊魚皮上錯開且重疊的微觀結構被稱為齒鱗，這些微觀結構能夠干擾水流。此外，鯊魚皮還表現出高抗穿透性，這是因為它由琺瑯質到真皮的四層結構構成，從外到內呈現硬質對軟質的力學梯度。
為了解決過去人工鯊魚皮製造中的問題，如無法形成3D重疊形態並保持微齒上微紋理的形狀，漢陽大學的Wie教授和他的同事們使用磁性粒子和彈性聚合物複合材料製造了有紋理的微齒。接著，在外部磁場的作用下，誘導這些3D微齒彎曲直至重疊。
這項研究的一個獨特之處在於，它們的3D人工鯊魚皮展示了多重功能，而以往的研究通常只能展示一到兩種特性。首先，該團隊展示了自然鯊魚皮的代表性功能：減阻。當水流從微紋理的前方流過時，具有疏水性的3D人工鯊魚皮能夠減少阻力。
低摩擦 低電阻 疏水變親水
除了減阻功能外，他們的3D人工鯊魚皮還表現出低摩擦性和高機械韌性，這些都歸功於錯開重疊的微齒結構。有趣的是，通過在機械柔軟的聚合物基鯊魚皮上塗覆一層纳米厚的機械脆弱材料，這些功能可以得到改善。
此外，當將基於聚合物的鯊魚皮塗覆上電導性的MXene材料時，它的電阻率非常低，僅為5.3 Ω。MXene塗層的鯊魚皮甚至能在低電壓下實現焦耳加熱，達到高溫（例如，2.75伏特時可達230°C）。此外，由於MXene材料的親水性，鯊魚皮的濕潤性質也從疏水性變為親水性。
這項研究是首次報告3D人工鯊魚皮能夠展示多重功能，並可能在多個領域有潛在的應用。例如，如果這項多功能人工鯊魚皮技術被應用在航運業，可以通過減少燃料消耗和延長船舶使用壽命來產生經濟效益。
這項研究對於未來的應用前景提供了廣泛的想象空間，比如裝備有3D人工鯊魚皮的船隻可以在海洋中快速航行，並且在與周圍障礙物接觸時摩擦小，對外部衝擊的損傷也會減少。
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首圖來源：Advanced Materials ccBY4.0
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參考論文：
1.Programming Anisotropic Functionality of 3D Microdenticles by Staggered-Overlapped and Multilayered Microarchitectures Advanced Materials
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