热点;nsored有限公司Pittcon的内容思想领袖Lauren zarzarn博士，宾夕法尼亚州立大学化学助理教授
在这次采访中，化学、材料科学和工程助理教授Lauren Zarzar博士向News-Medical and Life Sciences讲述了探索自然世界如何为动态材料的发明提供灵感和模型。
受自然启发的材料是指在形式、功能或设计上受到生物体启发或衍生的材料。生物灵感或自然灵感材料背后的想法是，生物体和大自然已经有数十亿年的时间来进化和测试不同的材料、不同的形式和功能。
2024年2月24日至28日
报名参加2024年Pittcon圣地亚哥会议中心，加州圣地亚哥
作为科学家，我们可以从中受益，看看大自然是如何解决它的问题的，这可以为我们的工程和设计挑战提供一些潜在的解决方案。这就是观察自然背后的动机:从生物体如何设计它们的材料中学习，然后把这些经验教训应用到我们自己的设计工程材料中。
我认为这很重要。在解决问题方面，无论是材料的化学性质还是材料的机械性质，大自然都提出了一些非常奇妙的解决方案，无论是受蛞蝓启发在水下工作的粘合剂，还是学习骨头是如何被设计成有弹性的。
这种创造适应性强的材料的想法，可以对周围环境的压力做出反应，比如自我修复或自我修复，这对合成材料来说是革命性的，但在自然界中却是司空见惯的。这些是生命材料所具有的很多能力，而我们并不擅长将它们设计成合成材料。自然界中的生物对我们未来开发更先进的材料来说是至关重要的灵感。
无论是在设计材料方面，还是在激发新的应用或方法方面，大自然都给我们上了很多课。
特别是在我们的工作中，我们感兴趣的是制造逼真的材料，因为它们对周围环境有适应性，有反应，寻找活的有机体是关键，因为我们可以看到活的有机体是如何进化的，以解决材料复杂性中的许多问题。
我们可以尝试从这些设计原则中学习，然后将类似的方法设计到我们的合成材料中。
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我们的工作很大程度上受到了生物体的启发，因为它们具有适应性、反应性，可以以不同的功能方式与周围环境相互作用。我的研究与适应性和反应性材料广泛相关。
我将在Pittcon做的演讲更具体地与我们如何控制材料中的颜色以及如何使颜色具有响应性和适应性有关。大自然在控制光线方面是神奇的，无论是在透镜中，还是在赋予美丽彩虹色的结构中，比如甲虫、鸟的羽毛或蝴蝶。
你在自然界中经常看到的这些变色效果来自于生物体表面的微小结构，它们以独特的方式引导光线。作为科学家，我们从观察生物体以及它们如何控制光和颜色中学到了很多，我们试图将其中一些方法应用于合成材料。
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从某种意义上说，我将要描述的作品是受到自然的启发，并使用结构来控制材料的颜色。然而，在其他方面，我们又向前迈进了一步，设计了我们不知道在自然界中存在的材料的特性。我们正在使用结构、材料和方法来控制色彩，这是自然界尚未采用的方式。
我想说，这是一个很好的例子，我们从大自然中获得了一些灵感，就我们最初的方法而言，然后加入了一点我们自己的创造力和科学，让它更进一步。
我们在宾夕法尼亚州立大学的研究主要集中在动态和响应材料上，考虑如何将材料组合起来，使各个部分的总和大于单个组件。正如生物体不是由一种化学物质或一种材料构成的一样，它们的功能是由许多活动部件之间的协同作用产生的。
我们必须像化学家和材料科学家一样思考。我们如何将现有的材料结合起来，使它们能够交流、合作、共同工作?
我们的研究主要集中在柔软的材料，如聚合物、液体和凝胶，它们是可变形或可移动的，可以交换化学成分。我们寻找将不同的化学物质和不同的材料结合起来的方法，这样我们就可以制造出反应更灵敏或适应性更强的材料。
例如，我们工作的一些平台是水滴，它们移动、相互交谈、组装。我们使用的凝胶可能会根据温度、光照条件或pH值改变形状或颜色。
再一次，很多灵感来自于生命系统以及它们的适应性，吸取这些经验教训并将其应用到更有应用价值的材料中。例如，采用变色系统并探索是否可以将其用于安全应用或作为传感器读取有关化学环境的信息。
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这种软硬材料的结合可以被认为是生物灵感。以人类为例。你有一个骨架，它提供了刚性和机械坚固性，这样你就可以站起来，四处走动和移动。
我们需要骨骼的刚性结构，当然，我们还需要软组织，器官和细胞，以及液体和化学物质在材料中流动的能力，这就需要柔软的材料。我们需要一些多孔的、可变形的、可以拉伸和生长的东西。
由于这种软硬材料的结合，人类成为可能，我们未来可能设计的许多材料，以及动态材料，将在很大程度上从这种结合中获得灵感。硬材料可能提供机械结构而软材料可能提供化学反应。
在我的研究生工作中，我在执行器上做了一些生物启发的工作，真正利用了这个概念。我们的微观结构是刚性的，但可以稍微弯曲，然后把它们放入一个反应灵敏的聚合物中，就像肌肉一样，代表肌肉和骨头的类比。我们正在创造反应驱动器，我们可以移动这些微观结构，骨骼，用反应凝胶，可以对温度，光，或pH值做出反应。
我认为，同时探索硬材料和软材料，然后在结合它们的方法上进行创新，将会在未来产生一些真正令人兴奋的、反应灵敏的材料。
LaurenZarzar_Interview4azoneton Vimeo。
动态材料不是静态的，而是能够感知周围环境的变化并以某种功能方式做出反应的材料。我们拥有的大多数材料都不是自适应的或动态的。它们是为在特定的环境下使用而设计的，当这些环境发生变化时，你就会寻找一种新的材料。
然而，我们认为材料的未来是设计一种在许多不同情况下都能发挥作用的材料，根据当时的环境，这种材料实际上可以适应。
举个例子来说明这在你的日常生活中是如何有用的，我想说的是你汽车上的轮胎:如果你的汽车轮胎上的橡胶会改变，或者轮胎的表面特性会改变，这取决于你是在干路面上行驶，还是在湿路面上行驶，还是在冰面上行驶?相同的橡胶表面不一定是所有这些不同情况下的最佳材料。你可以考虑设计一种新的适应性材料。
有很多这样的例子，如果我们能在我们的合成材料或工程材料中设计出响应性或适应性特征，它们就会更有用，更有功能。我们考虑的是如何将这种适应性设计到软材料中，主要是为了让它们更逼真或更具生物灵感。
对于我们的工作，一个目标应用程序可能是传感器。如果你有一种可以对周围环境做出反应的材料，你就可以用它来读取周围发生的事情。
例如，如果你有一种材料，当它受到压力时，它可以感知，例如，如果你拉伸或放下它，它可能具有变色特性，以指示高压力的区域。也许你可以设计这种材料，让它变得更硬，在这种压力下变得更强。我们也在研究在不同化学条件下改变颜色的化学传感器。
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从许多不同的科学和工程领域汲取知识是非常重要的，而不仅仅是化学或材料科学。我想说的是，当考虑设计适应性和反应性材料或生物启发材料时，这一点尤其重要，因为它们通常需要很多不同的组件，你需要考虑材料的化学和机械性能，以及跨越许多不同长度尺度的性能。
我想说，我们下一代的适应性和反应性材料将不仅仅是一种材料，而是多种材料协同工作的复合材料或混合物。为了实现这些目标，我们确实需要利用来自不同学科的专业知识。
我的培训主要是化学，但我们与物理学家、材料科学家、理论家和机械工程师合作。我对学习与我的背景非常不同的学科的科学和工程非常感兴趣。
我认为最令人兴奋的发现将是那些出现在这些更传统领域的交叉点上的发现，它们可以弥合这些差距，并在这些科学和工程领域的界面上设计出新的学科。
我认为将会有新的科学领域从这些更传统的科学和工程领域的交叉中发展出来。有几个新兴研究领域的例子，它们确实涉及了许多不同的学科，例如，活性物质领域，以及机械生物学。
例如，活性物质领域正在研究我们如何使物体移动并相互交流以产生集体行为，类似于鱼群或鸟群。所以，你不仅需要像化学家这样的人来思考驱动这种运动的反应，你还需要物理学家和理论家来模拟这些相互作用以及这些活动物体集合中出现的非常复杂的行为。
像机械生物学这样的学科，借鉴了更传统的生物学或生物化学领域，但又结合了力学，研究细胞和组织上的压力、变形或力是如何反馈和影响化学和生物学的，这正在成为理解生物体的一个非常重要的部分。它结合了你通常认为非常不同的两个领域，力学和生物学，但事实证明，你需要这两个领域来真正理解生命系统是如何生长的。
生物体已经发展出许多不同的方式来控制光和收集光，我们在设计人造材料时从这些方法中获得了很多灵感。具体来说，我的实验室着眼于控制颜色。
如果你观察生物体，生物学已经进化出许多不同的方式来控制和使用颜色，无论是用颜色在相似物种的生物体之间发出信号，还是用非常鲜艳的颜色向捕食者发出信号，“走开，不要吃我。”“生命系统有很多不同的发展和使用颜色的方式。
生物体通常以两种方式产生颜色:要么使用染料和化学物质等颜料，要么使用我们所说的结构色。
结构色可以在鸟类羽毛、蝴蝶翅膀和甲虫等物体上看到，通常具有颜色变化或彩虹色特征。结构颜色实际上是由于蝴蝶翅膀或甲虫或羽毛表面的微小结构造成的，这些结构会使照射到表面的光线受到干扰。大自然启发了许多错综复杂的结构，以不同的方式操纵光线。
生物光学领域有一个研究领域，研究自然，看到一种美丽的颜色，就会提出这样的问题，‘生物体是如何产生这种光学效果的?然后试图在人造材料中复制这种效果。然而，我们也可以从一般的设计方法中从生命系统中获得灵感，但不是复制精确的材料，而是使设计更适合我们的应用或更容易实现的东西。例如，生物体在纳米尺度上非常擅长控制结构。作为人类，我们不太擅长这个。我们在微观尺度上表现得更好，比纳米尺度大几个数量级。我的实验室一直在问我们如何以类似的方式控制颜色，并创造出这些美丽的彩虹效果，但要在稍微大一点的材料上实现。
因此，尽管这项研究是受生物启发的，但我们正在用合成聚合物等材料制造结构和产生这些效果，而这些材料是生物不会使用的。我们从大自然中汲取灵感，但我们加入了自己的想法，并试图让它在我们的日常生活中更实用。
我们每天都会遇到障碍和挑战。我的意思是，做科学本身就是非常具有挑战性的。我们取得的许多令人兴奋的发现都不是有意为之。有很多情况是偶然的，我们试图做一些事情，但我们看到了意想不到的结果，我们对这些结果进行了更深入的挖掘，发现了一些真正令人兴奋的东西。
在很多方面，我们最大的成功都来自于我们最大的失败。正因为如此，我试着抱着这样的心态:我们可能无法达到预期的目标，但我们会从失败中学习，这将教会我们一些令人兴奋的东西，看看它会把我们带到哪里。我们每天都会遇到挑战，但我把它们视为机遇，并把这种心态带到实验室，努力让我的学生以同样的方式看待事物。
我很高兴我们的研究小组里有来自不同背景的学生。在我的研究小组里有很多化学学生，这是我的家庭部门，但我也有来自材料科学和化学工程背景的学生。
除此之外，我们还与电气工程、机械工程和物理等领域的研究人员合作。这些来自不同背景和不同学科的人之间的合作产生了最好的科学，因为我们把以不同方式看待世界的人聚集在一起。
当我遇到问题时，我会更多地从化学家的角度来看待它，从分子的角度来思考，而我的同事，一个机械工程师，会用完全不同的方式来看待同样的问题。所以，我们真的需要有各种培训、专业知识和经验的人组成的团队来解决最难的问题，并提出跨越这些不同学科的解决方案。
我一直在想这个生物材料的想法。下一代材料的特点是能够适应和响应许多不同的情况。你将需要具有不同背景和专业知识的人来解决这些难题。
我们现在用液滴做了大量的工作。这些都是柔软的材料，我们试图理解如何控制液体作为一种材料。我对这个想法感到非常兴奋。在某种程度上，尽管它有点偏离，但我喜欢把它看作:我们如何从无序中创造秩序?我们如何利用非常简单的化学系统，设计一种让它们进化和自我组织的方式?即使我们可能不会使用生命起源前地球上存在的化学物质，我们也在问类似的问题，比如你是如何创造出具有生命特征的东西的——移动、交流、生长和组织的能力?我们如何用有限的化学复杂性创造这些系统?它的设计原则是什么?液体是探索这些问题的重要材料平台。
然后，一旦我们理解了这些设计规则，我们就可以利用这些规则来构建越来越复杂的系统。我们开始在简单的油和水乳液中问这些问题。想想沙拉酱:你有油、水和一些表面活性剂，就像肥皂一样。这些非常简单的分子可以组织成更复杂的材料，这些材料有界面，可以在这些界面上交换化学成分，并相互交流。
虽然液滴的工作是非常基础的，但我们也有研究采取了更实用的方法。我之前描述的结构色彩作品就是一个例子。我们学到了一些新方法控制材料颜色的基本方法现在我们正在尝试应用它们并提出一些问题，比如，我们能制作涂层吗?我们能制造出一种有人会购买和使用的油漆或产品吗?试图将我们的基本发现转化为人们可能想要使用的产品真的很有挑战性，但也很有趣!
我总是很高兴与其他学术科学家分享我们的工作，也很高兴与业内人士分享我们的工作。我已经谈了很多关于与不同学科的人合作的事情，但与工业界的科学家合作对我来说是一件新鲜的事情，我真的很兴奋。我想和更多的人建立联系。
学术界和产业界之间需要更多的合作，而我们如何开始弥合这一差距，就是通过彼此见面，讨论我们的问题。我在实验室里研究乳剂时遇到的问题，我敢肯定，和在公司里工作的人遇到的问题大不相同，比如说，在公司里工作的人实际上在尝试制造和配制一种油漆。我们都在制作乳剂，但它们的用途完全不同。其中可能存在一些联系，除非我们彼此交谈，否则我们不会发现这些联系。
我认为像Pittcon这样的会议是一个很好的方式，可以与来自不同背景的人建立联系，解决不同类型的问题。通过了解我们都在做什么，我们都在想什么，我们对什么感到兴奋，我们将建立这些联系，也许会开始一些新的合作，这将导致未来的产品和解决方案，这将真正使每个人受益。
我想说，我总是喜欢与人见面。我们不能见面，我心里肯定有些难过。与此同时，虚拟平台确实可以实现真人平台无法实现的功能。例如，我希望那些可能没有时间或资源去参加几天会议的人可能能够参加虚拟会议。
我认为，在虚拟平台上安排与人见面也比在会议室里跑来跑去寻找某人要容易得多。我认为虚拟平台肯定会带来挑战，但我们应该试着去接受它。我很高兴看到Pittcon的虚拟平台是如何运行的，并利用它将提供的机会。
由于疫情，我想我们很多人都感到非常孤立。我们和其他人在身体上是隔离的，你不能走在大厅里和你的同事见面，然后开始交谈。由于许多活动被取消，我们也无法了解到仍在进行中、尚未发表的令人兴奋的研究。我们没有那么多机会与朋友和同事联系。
我们必须利用这些虚拟平台来继续对话，继续分享我们的工作，向他人学习，建立联系，开始新的合作。
科学不会停止，我们的工作不会停止，所以我们要确保我们继续向前推进，我们要与他人分享我们令人兴奋的发现，并与之交流。当一切恢复正常时，我们将建立这些新的关系和新的研究方向。
当我们可以再次开始旅行并拜访同事时，我们将有很多新的方向和事情要做，我们期待着。我最近和一个人发表了一篇论文，这是我在一次会议的海报会议上偶然遇到的，这导致了这次奇妙的合作。我们不能再举办海报会议了，但我们可以在虚拟平台上设计一些类似的东西，这样这些几乎偶然的互动仍然可以发生，并且仍然可以触发这些新的研究方向。参加会议是发现新研究、新科学和新合作者的好方法。
感知和适应周围环境的动态材料是原始的。因此，除了探索耦合这些化学和机械线索的新机制之外，开发促进无数材料集成的原型方法也至关重要，特别是在纳米和微米长度尺度上。在Zarzar实验室中，我们探索了多种平台，包括硬材料和软材料。例如，我们研究:用于二维和三维纳米/微尺度图案的聚合物，金属和氧化物的直接激光书写;动态可重构的软材料，如乳液和聚合物，具有可调透镜、传感器和触发释放等功能。
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