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专访报道

俞书宏院士:用仿生材料叩开新世界

来源: 阅读数:90 时间:2020-09-23 15:45:37
用仿生材料叩开新世界
——记中国科学技术大学俞书宏院士
5月30日,在北京举行的第二届全国创新争先奖表彰奖励大会上,中国科学技术大学俞书宏院士被授予全国创新争先奖章。这是仅次于国家最高科技奖的科技人才大奖。沉甸甸的奖章,展现了俞书宏在无机仿生材料领域的卓越成就。

图为俞书宏院士(左三)指导学生进行新材料研发。徐旻昊 摄

“瞄准原始创新,解锁‘卡脖子’问题”

大自然就像是一个奇妙的“合成工厂”,不断制造出具有各种奇异功能的生物材料或生物体。研究这些生物材料的结构和性能,能为人们在微尺度上的仿生材料设计开辟新的途径。从事无机材料研究20余年来,俞书宏不断地观察自然,获取仿生合成的灵感;又不断解密自然,追溯新型材料组装原理。近年来,他率领团队建立了人工仿生合成珍珠母、人工木材、人工盔甲等多级结构材料的合成方法,阐释了其生长机理,发现了无机仿生材料跨尺度合成的新途径, 在无机化学领域摘得累累硕果。

“这种新型天然纳米纤维素高性能仿生结构材料,具有优异的综合性能。它的密度仅为钢的六分之一,而比强度、比韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料,所以它有望替代现有的工程塑料,在航空、航天、军事、国防、民生等领域具有广泛的应用前景。”不久前,俞书宏公布了团队的最新科研成果。

在他的实验室里,记者见到了制造这种新型材料的基础材料——一种白色果冻状半凝固体。“它主要是利用天然纤维素制成,别看它相貌平平,却可以衍生制造出一系列致密又透气的材料产品。比如,可以制作医用口罩的过滤层,有望用来替代紧缺的熔喷布;可以制造轻巧耐用美观又防火的家具;可以制成飞行器部件、环保涂料、包装袋等。”俞书宏介绍说。因为在自然界中有大量可利用纤维素存在于灌木、秸秆等生物质中,因此原料成本更低,甚至可以变废为宝,一举两得。

“之所以说它是仿生材料,因为是受自然界的启发。”俞书宏说,该材料的轻质高强韧主要来自材料微米级层状结构和纳米三维网络结构设计,纤维素纳米纤维内部高度结晶可以提供极高的强度,纤维之间通过大量氢键等可逆相互作用网络进行结合,在外力作用下这种高密度的可逆相互作用网络可以迅速解离和重构,吸收大量能量,使材料在具有高强度的同时实现高韧性,克服了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题。

材料对于人类的发展影响巨大,一种革命性的新材料可以颠覆一种产业。当前,我国在很多高技术领域被国外“卡脖子”,其实很重要的一个方面就是关键材料被“卡脖子”。“我们要紧紧瞄准从‘0’到‘1’的原始创新,为自己定下一个更高的目标,多解决材料方面的‘卡脖子’问题,为国家的发展多作贡献。”俞书宏说,中国科学家完全有能力、有信心做更好的创新。



 “成果得到认可,是科学家最开心的事”

自2002年以来,俞书宏便开始从事仿生材料领域的研究工作。从早些年无机纳米材料的仿生合成,到近年来对宏观尺度纳米复合结构材料的仿生制备及应用,他进行了系统性探索研究。

俞书宏带领课题组近年来在仿生材料方面取得了系列进展,包括建立和发展了系列无机纳米材料的仿生合成、自组装技术及模拟生物矿化方法,并基于这些技术方法成功仿生合成了多种神奇的宏观尺度轻质高强新材料。例如与天然珍珠母高度类似的人工合成珍珠母;受北极熊毛发中空结构启发,研制的新型轻质、保温、隔热碳材料;防火、隔热、耐腐蚀的仿生聚合物木材等。

从俞书宏实验室走出的这些综合性能全面超越传统材料的新材料,不仅对军事、国防、工业等相关领域具有重要战略意义,也对提升老百姓生活品质有着妙笔生花的作用。2016年,参照软体动物合成天然珍珠母的砌墙式策略,俞书宏和团队提出一种新的“组装与矿化”合成方法,从源头模仿天然贝壳珍珠层的形成过程和化学组分,在世界上首次成功矿化合成了人工珍珠母。这种仿珍珠母材料的化学组分、结构,与天然珍珠母相似,力学性能相当,密度更低,具有优越的抗断裂性能。“珍珠母是贝壳中的内层材料,与珍珠具有相似的组成和结构,通常含有95%以上的碳酸钙。但这种碳酸钙并不是传统意义上的粉末,它形成了一种特殊的结构。”俞书宏透露,他的研究就是从一个侧面来模仿贝壳、珍珠、骨骼等结构,制备出性能可以与自然界依靠生命体创造的材料相媲美的新材料。据介绍,这种新材料可以用于人工骨骼、人工牙齿的制作,目前正在和相关医院进行合作试验中。

不断促进成果转化、投入应用生产,是俞书宏追求的方向。“大规模的宏量制备和小规模的实验室制备,是完全不同的物理和化学过程。”因此,如何保证宏量制备纳米材料的组分与形貌的一致性和稳定性,其中也涉及大量的基础科学问题,俞书宏带领团队不断努力着。最近,团队实现了纤维素纳米纤维的宏量制备,相比于高成本、过程复杂、耗时超过3天的传统制备方法,他们研发的方法可以在半小时内实现纤维素纳米纤维的快速宏量制备,且具有更好的形貌和性能,这让纤维素纳米纤维得到市场认可又向前迈进了一大步。这让俞书宏非常高兴,他说:“科技最终是要为人服务。成果得到认可,是科学家最开心的事。”



“成绩是下一步的起点,科学研究永远在路上”

作为高校教师,俞书宏还承担着培养人才的重任。他把为学生们发掘内驱力放在人才培养的首位。“做科研非常辛苦,但只要真正感兴趣就会苦中有乐。只有兴趣驱动的科研,才是最原汁原味的,也是最有推动力的。”俞书宏说,他从事科研的动力是源于对自然和科学的热爱,也希望帮助青年科技工作者们找到这种兴趣。

长期泡在实验室,一呆十几个小时,对工作耐心是一种考验。“从事科研工作的年轻人应该志存高远,坐得了‘冷板凳’。要专注一个方向,坚持做从‘0’到‘1’的原创性工作;要培养自己面对困难的勇气和解决问题的能力,而不是围着‘帽子’和‘票子’转;其次,要积极与同事及其他领域的研究者开展合作,不要故步自封,科研上的交流合作常常会产生‘1+1远大于2’的效果。”这是俞书宏对学生们反复提出的期望,他自己也是这么做的。早上7点多到实验室,晚上快11点离开,这是他工作的常态。“争分夺秒,拿出有‘含金量’的成果来回报国家和社会”是俞书宏敬业的不竭动力。这些年来,他先后获得国家自然科学二等奖、中国青年科技奖、安徽省重大科技成就奖等荣誉。

为了鼓励更多的青年科技工作者奋进,他自己为全体实验室人员设计了一款队服。这是一件看起来很普通的黑色T恤,但后背上却“别有用心”地印着“1.01365=37.8”和“0.99365=0.03”两行数学算式。“算式上列出了1.01的365次方等于37.8;0.99的365次方等于0.03。意思就是提醒我们,每天多努力一点和少努力一点,一年365天累积下来的结果差距是巨大的。”俞书宏实验室成员、中国科大副研究员高怀岭说,“俞老师常跟我们说的是,成绩是下一步的起点,科学研究永远在路上。”正是长年鼓着这样一股拼搏精神,俞书宏及其团队才不断突破自我,屡有建树。

不久前,习近平总书记给科技工作者代表的一封回信再次点燃了俞书宏心中科技报国的宏志,他说:“作为党和人民培养的一名从事基础科学研究的科技工作者,我将不忘初心,牢记使命,攻坚克难,勇攀科学高峰,为创新型国家建设,为把我国建设成世界科技强国作出新的更大的贡献!” 


来源:科学温故社