生命體系統(tǒng)中的層級結(jié)構(gòu)通常是以細胞為主的復(fù)合體“自下而上”的組裝過程，然而目前工業(yè)界在加工精細結(jié)構(gòu)方面絕大部分使用的是“自上而下”的減材制造策略，這給在合成材料中構(gòu)建層級系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，近年來多層級合成材料的研究重點主要圍繞著如何設(shè)計新型“自下而上”層級結(jié)構(gòu)的制備方法。

在自然界中，生物體表面獨特的形貌特征往往能夠為其賦予特殊的性質(zhì)，并以此來提升自身對環(huán)境的適應(yīng)性和與生存幾率。其中，許多動植物依靠其表面的層級拓撲結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)與外界之間的相互作用。

在某些物種中，表面多層級結(jié)構(gòu)能夠使其表面與其他材料的相互作用最大化，例如一些攀爬生物（甲蟲、蒼蠅、蜘蛛、壁虎等）的足部均覆蓋有豐富結(jié)構(gòu)的剛毛，能夠增加表面的相互吸引力。壁虎看似“光滑”的足底由微米尺度的剛毛組成，而每一根剛毛末端又分叉形成數(shù)百根納米尺度的鏟狀絨毛，最終大幅增加接觸點的總長度，提高了總粘附力；相反，在某些生物中，表面的多層級結(jié)構(gòu)反而會降低其表面與材料的相互作用力，從而形成一層外部的保護屏障。例如荷葉與蟬翼的表面均具有微米的凸起結(jié)構(gòu)，并且在其之上還具有納米尺度的凸起，從而展現(xiàn)出超疏水和自清潔的性質(zhì)。而魚鱗表面的規(guī)則排布以及表面順應(yīng)水流方向的微、納結(jié)構(gòu)，使得魚鱗具有超親水和超疏油的性質(zhì)，能夠降低游動阻力的同時還可以避免水下微生物的粘附；一些具有層級結(jié)構(gòu)的生物表面還會衍生出奇特的功能。例如豬籠草的口喙表面存在數(shù)百微米的溝槽，在此之上還有楔形盲孔構(gòu)成的數(shù)十微米的不對稱溝槽，此結(jié)構(gòu)能在運輸方向上優(yōu)化并加強毛細上升力，并阻止反方向的回流，從而完成豬籠草內(nèi)部花蜜粘液的單方向液膜搬運，使其口喙邊緣時刻保持潤滑的狀態(tài)，使獵物“失足”滑落掉入其中；此外，一些生物能夠依靠表面層級結(jié)構(gòu)來進行偽裝。例如閃蛺蝶的翅膀表面在光照下五彩斑斕，是由于其翅膀鱗片表面100 - 300 nm叉狀片層結(jié)構(gòu)的多層干涉現(xiàn)象，這種結(jié)構(gòu)同時還使蝴蝶翅膀表面呈現(xiàn)超疏水的性質(zhì)，從而使其在雨天同樣保持飛行能力。

近年來，研究者們受到生物材料表面結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過各種制備方式得到多層級表面結(jié)構(gòu)材料，其在表面粘附、表面光學(xué)以及表面浸潤性等方面具有比肩甚至超越生物體表面的性質(zhì)和功能。Qu等人使用原位生長的碳納米管陣列模擬壁虎足底的超粘附結(jié)構(gòu)，利用碳納米管的豎直部分模擬壁虎的剛毛，而頂部彎曲形貌模擬壁虎的鏟狀絨毛，獲得了高達90.7 N/cm2的切向粘附力，為壁虎粘附力的10倍；Kim等人利用模板法，制備出具有楔形截面的彈性體陣列，并將其作為粘附層組裝成為“黏蟲機器人”，借助這些人造剛毛與物體表面的范德華相互作用力，實現(xiàn)“黏蟲機器人”在垂直表面的攀附和行走。

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