Chen等人以具有多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)的三聚氰胺泡沫為模板，在表面修飾聚吡咯納米顆粒，制備得到超疏水超親油的泡沫，其具有對(duì)水阻隔的特性并且允許油相溶液在其中快速過濾，能夠作為抽水泵濾頭實(shí)現(xiàn)高通量的油水分離過程。

多層級(jí)組分材料本身不具備跨尺度的幾何結(jié)構(gòu)排列，而是依靠?jī)?nèi)部分子鏈、組裝體以及體相結(jié)構(gòu)在不同尺度的分布，獲得無規(guī)則分布時(shí)所沒有的性能和功能。自然界中多層級(jí)組分材料比比皆是，依據(jù)層級(jí)特征的產(chǎn)生方式可進(jìn)一步將其分為納米限域（Nanoconfinement）、取向排列（Orientation）和層級(jí)堆疊（Stacking）材料。

納米限域是指構(gòu)成材料的單元在小至一定尺寸之后所形成的特有相互作用所帶來的體相性質(zhì)改變。例如在蜘蛛絲中，蛛絲蛋白主要由松弛和緊密部分組成，緊密部分主要由8 - 10個(gè)丙氨酸殘基序列通過氫鍵組成的反折疊晶體構(gòu)成，其大小約為2 - 4 nm。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)晶區(qū)域尺寸小于4 nm時(shí)，在受到剪切力作用下，蛛絲蛋白晶體區(qū)域會(huì)進(jìn)行鏈的滑移和氫鍵的重構(gòu)完成結(jié)晶區(qū)的再生，從而耗散能量，表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度，而在晶體尺寸大于4 nm時(shí)則會(huì)發(fā)生不可逆的晶體斷裂，表現(xiàn)出較差的強(qiáng)度。

取向性排列材料是自然界中種類最豐富的一類多層級(jí)組分材料，其通過組成單元的定向組裝排列，逐級(jí)組成具有在某一特定方向上優(yōu)異性能的宏觀材料。例如木材通過納米纖維的多層級(jí)高取向度排列實(shí)現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度的各向異性。纖維素與木質(zhì)素纖維共組裝成為納米纖維，這些納米纖維相互并列排列組成中空?qǐng)A柱狀木質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞壁，進(jìn)一步木質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行并列排列構(gòu)成木材組織，并列排列的纖維結(jié)構(gòu)使得木材能夠在受到剪切力時(shí)通過纖維間的粘滑機(jī)理對(duì)應(yīng)力進(jìn)行耗散獲得韌性，并且纖維素的高強(qiáng)度特性使得木材能夠在縱向承受巨大的載荷。

層級(jí)堆疊往往通過組分單元形成的二維組裝體在空間上延某一方向或角度堆疊的方式獲得特有的結(jié)構(gòu)特征或力學(xué)性質(zhì)。例如龍蝦的角質(zhì)層是由幾丁質(zhì)纖維組裝體在空間進(jìn)行各個(gè)方向的堆疊形成，這種結(jié)構(gòu)能夠幫助龍蝦抵御來自外部各個(gè)方向的摩擦力，并且間隔分布的層間隙能夠有效防止斷裂的發(fā)生。此外，某些生物體表面（如圣甲蟲、杜若果等）存在由幾丁質(zhì)或纖維素組成的手性螺旋堆疊結(jié)構(gòu)，其能夠反射特定波長(zhǎng)和手性的光線而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色效應(yīng)，在動(dòng)植物的信息交流、偽裝中扮演重要的角色。

不僅如此，多層級(jí)組分材料中往往還會(huì)同時(shí)出現(xiàn)納米限域、取向排列和層級(jí)堆疊的不同組合，形成具有綜合性能的材料。人工制備多層級(jí)組分材料的關(guān)鍵在于如何控制材料在微觀、介觀和宏觀中的排列過程。材料的組成單元通常是分子、分子團(tuán)簇或聚合物鏈等微觀物質(zhì)，因此控制微觀排列的手段通常是通過調(diào)控組成單元間的范德華力、氫鍵、 - 相互作用、共價(jià)相互作用、離子相互作用和主客體等相互作用得以實(shí)現(xiàn)；材料在介觀和宏觀尺度上受到外力的影響越來越顯著，因此在介觀或宏觀尺度上的排列除了能夠依靠上述相互作用實(shí)現(xiàn)，還可以通過引入電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及其他外加力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。

Wang等人通過改變?nèi)芤簱]發(fā)時(shí)的溫度，調(diào)控馬蘭戈尼效應(yīng)的強(qiáng)弱，調(diào)節(jié)液滴內(nèi)水平與垂直方向界面毛細(xì)力的平衡，制備出具有不同取向的苯丙氨酸二肽衍生物螺旋陣列。Ling等人將蠶絲納米纖維配制成高粘度分散液，之后通過細(xì)孔針頭擠出，在針頭附近的強(qiáng)剪切力作用下，誘導(dǎo)蠶絲蛋白纖維中的反β折疊結(jié)晶區(qū)發(fā)生定向排列，使得所制備的纖維延軸向具有超強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度（11 GPa）。

3D打印功能材料是一個(gè)新興的前沿領(lǐng)域，在過去十年中得到了快速的發(fā)展，并且在科學(xué)理論和實(shí)踐應(yīng)用中均展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展空間。眾所周知，材料的性能與其組成和結(jié)構(gòu)均密切相關(guān)，因此3D打印功能材料的開發(fā)也一直圍繞著新材料與新結(jié)構(gòu)兩方面展開。自然界中的多層級(jí)體系具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系，給3D打印功能材料的開發(fā)帶來了靈感。

多層級(jí)材料的核心研究問題之一是如何利用合成材料完成層級(jí)特征的構(gòu)筑。傳統(tǒng)的制備手段在介觀尺度以下的層級(jí)結(jié)構(gòu)制備具有良好的表現(xiàn)，但在宏觀尺度的制備中呈現(xiàn)出工藝的不穩(wěn)定性和制備效率的不足，因此減緩了多層級(jí)材料功能器件的應(yīng)用腳步；另一方面，更多的新型智能材料亟待被應(yīng)用和開發(fā)，進(jìn)而拓寬多層級(jí)材料的應(yīng)用場(chǎng)景。3D打印技術(shù)能夠完成微米尺度以上結(jié)構(gòu)的快速、可控制備，并且經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，如今3D打印技術(shù)對(duì)于絕大多數(shù)材料具有良好的兼容性，因此3D打印技術(shù)也為多層級(jí)材料領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

近期，應(yīng)用3D打印技術(shù)制備的多層級(jí)材料也相繼被報(bào)道。Yang等人仿照桑葉表面的絨毛結(jié)構(gòu)，使用自制的SLA平臺(tái)打印出具有兩個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)的“觸手”陣列表面結(jié)構(gòu)，其具備超疏水的特性。進(jìn)一步通過理性設(shè)計(jì)觸手的二級(jí)結(jié)構(gòu)，能夠調(diào)節(jié)所打印表面對(duì)液滴的粘附力（23 - 55 μN(yùn)），從而應(yīng)用于液滴操縱和油水分離中。Zhang等人通過SLM技術(shù)打印出具有FCC結(jié)構(gòu)的Cu/Mn合金框架，進(jìn)一步通過電化學(xué)去合金的手段刻蝕掉Mn元素獲得具有多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)的Cu催化劑，在電化學(xué)催化甲醇氧化的反應(yīng)中表現(xiàn)出出色的催化效率。

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