人造向日葵：向着光，自己动
2020-11-17
以下文章来源于我是科学家iScientist，作者圆的方块
怎么追逐一道光
许多生物都乐意跟踪光源，不论是花朵弯向太阳，还是苍蝇追逐光亮。这种向光性（phototropism）最著名的例子就是向日葵。在向日葵还未盛开时，花盘总是会朝向太阳。它们之所以这么做，本质上是为了弥补由倾斜照明引起的能量损失。光斜着照，植物吸收的能量就少。有人计算过，当光的入射角为30°时，花朵表面接收到的能量只有光正面入射时的一半。
为了直面阳光，向日葵要不断扭动“脖子”。它们的茎部含有生长素，本来生长素的分布是均匀的，但是当阳光照射的时候，向光的一面所含有的生长素会转移到背光处，从而让背光处较快生长，带动花朵向有光的一面倾斜。在向光运动的帮助下，向日葵不止能加强自身的光合作用，还可以提高花盘温度，从而吸引更多蜜蜂来帮忙传粉。
在人造产品中，也有很多需要迎着太阳的，比如太阳能电池。因此，它们也同样面临着阳光角度变化带来的能量损失。目前，人们采用的应对方法是通过电脑计算出太阳的轨迹，再用马达来调整电池板的角度。这种方法虽然有效，但却增加了设备的成本，同时也产生了大量能耗。既然我们早就看破了向日葵的秘密，能不能让人造物学学向日葵——跟着太阳，自己动？
2019年，美国加州大学洛杉矶分校的贺曦敏教授研究团队，开发了一种复合纳米材料系统，能够准确瞄准光的方向，自发运动追光，堪称“人造向日葵”。这一研究成果发表在《自然·纳米技术》上。这款名为“仿向日葵全角度光源追踪器”（SunBOT）的系统，是一种温度响应性水凝胶，内部分布着大量纳米级的光吸收剂。这些纳米光吸收剂可以是金纳米颗粒，也可以是石墨烯。光吸收剂能够有效吸收光照的能量，并产生热量。
温度响应性水凝胶则是一种高分子材料，主要成分是聚（N-异丙基丙烯酰胺），随着温度改变时，这种高分子会发生收缩或舒张。
在人造向日葵中，水凝胶对应着向日葵的茎，而纳米光吸收剂扮演着植物生长素的角色。在有光亮时，人造向日葵中的纳米光吸收剂会产生热量，这种局部温度的升高会诱发温度响应性水凝胶发生变形，从而向光源方向弯曲。一旦人造向日葵对准了光源，也就是水凝胶柱头朝向了光源，那么柱体受到的光照就减小了，从而使得温度会恢复到相对均匀的状态，这种弯曲过程停止，也就是向光运动停止。
这款SunBOT系统可以实时探测并跟踪来自任意方向的入射光，响应速度达到毫秒。只要有光照过来，人造向日葵就会“唰”的一下转过头去。关键是全程无需辅助电源或人为干预。科学家们将这套设备的原理应用在了小型太阳能水蒸发器上。在倾斜照明的条件下，SunBOT系统对太阳能的收集能力比传统材料提高了400%。
仿造出一个大自然——纳米仿生学
人造向日葵这类研究属于纳米仿生领域。在这个生机盎然的领域中，科学家们关注的可不仅仅是一个向日葵，他们甚至想仿造出一个大自然。经过数百万年的进化，自然界中充满了令人眼花缭乱的生物，它们具有的功能比迄今任何人工制造的机械都优越得多。向自然界学习，是人类能快速进步的方法之一。从蝴蝶到水草，从贝壳到鱼鳞，万物皆可仿生。
纳米仿生的研究主要有两个方向，一种是结构性仿生，另一种是功能性仿生。
结构性仿生，就是通过构造与生物近似的微观结构，来模仿生物的一些神奇的能力。其中，最出名的研究就是荷叶。荷叶表面覆盖着无数微米级的突起。在微米突起上面，又有更为细小的纳米级结构，尺寸只有200纳米。水滴无法吸附在这种特定的微纳结构上，从而出现了荷叶疏水的现象。通过模仿荷叶的这种微观结构，人们可以将疏水性赋予到普通的织物上，从而做出不沾水渍的外套和领带。
所谓的功能性仿生，就是通过合成特定的纳米材料，来模仿生物的功能。上文提到的人造向日葵，就是一种典型的功能性仿生。目前，最热门的功能性仿生研究当属光催化。受到植物光合作用的启发，科学家们想通过合成特定的纳米光催化剂，把二氧化碳直接加工成有机物。如果这方面的研究能取得突破，那么人类不仅可以降低二氧化碳浓度，还能同时获得优良的碳基燃料。
目前，已经被证明可行的一些方案，能将二氧化碳转变为甲烷、甲醇等有机物。比如2018年，中美科学家联手开发了一种方法，可利用太阳光驱使二氧化碳化学转化为氨基酸。虽然科学家们在努力开发各种光催化剂吸收处理二氧化碳，但目前在成本和实用性方面，远远比不上真实的树叶。不过，这已经不错了。人类在向大自然学习如何追逐一道光的过程中，已经看到了星星点点的光亮了，不是吗？