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            專訪報道

            俞書宏院士:用仿生材料叩開新世界

            來源: 閱讀數:161 時間:2020-09-23 15:45:37
            用仿生材料叩開新世界
            ——記中國科學技術大學俞書宏院士
            5月30日,在北京舉行的第二屆全國創新爭先獎表彰獎勵大會上,中國科學技術大學俞書宏院士被授予全國創新爭先獎章。這是僅次于國家最高科技獎的科技人才大獎。沉甸甸的獎章,展現了俞書宏在無機仿生材料領域的卓越成就。

            圖為俞書宏院士(左三)指導學生進行新材料研發。徐旻昊 攝

            “瞄準原始創新,解鎖‘卡脖子’問題”

            大自然就像是一個奇妙的“合成工廠”,不斷制造出具有各種奇異功能的生物材料或生物體。研究這些生物材料的結構和性能,能為人們在微尺度上的仿生材料設計開辟新的途徑。從事無機材料研究20余年來,俞書宏不斷地觀察自然,獲取仿生合成的靈感;又不斷解密自然,追溯新型材料組裝原理。近年來,他率領團隊建立了人工仿生合成珍珠母、人工木材、人工盔甲等多級結構材料的合成方法,闡釋了其生長機理,發現了無機仿生材料跨尺度合成的新途徑, 在無機化學領域摘得累累碩果。

            “這種新型天然納米纖維素高性能仿生結構材料,具有優異的綜合性能。它的密度僅為鋼的六分之一,而比強度、比韌性均超過傳統合金材料、陶瓷和工程塑料,所以它有望替代現有的工程塑料,在航空、航天、軍事、國防、民生等領域具有廣泛的應用前景?!辈痪们?,俞書宏公布了團隊的最新科研成果。

            在他的實驗室里,記者見到了制造這種新型材料的基礎材料——一種白色果凍狀半凝固體?!八饕抢锰烊焕w維素制成,別看它相貌平平,卻可以衍生制造出一系列致密又透氣的材料產品。比如,可以制作醫用口罩的過濾層,有望用來替代緊缺的熔噴布;可以制造輕巧耐用美觀又防火的家具;可以制成飛行器部件、環保涂料、包裝袋等?!庇釙杲榻B說。因為在自然界中有大量可利用纖維素存在于灌木、秸稈等生物質中,因此原料成本更低,甚至可以變廢為寶,一舉兩得。

            “之所以說它是仿生材料,因為是受自然界的啟發?!庇釙暾f,該材料的輕質高強韌主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構設計,纖維素納米纖維內部高度結晶可以提供極高的強度,纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網絡進行結合,在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構,吸收大量能量,使材料在具有高強度的同時實現高韌性,克服了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。

            材料對于人類的發展影響巨大,一種革命性的新材料可以顛覆一種產業。當前,我國在很多高技術領域被國外“卡脖子”,其實很重要的一個方面就是關鍵材料被“卡脖子”?!拔覀円o緊瞄準從‘0’到‘1’的原始創新,為自己定下一個更高的目標,多解決材料方面的‘卡脖子’問題,為國家的發展多作貢獻?!庇釙暾f,中國科學家完全有能力、有信心做更好的創新。



             “成果得到認可,是科學家最開心的事”

            自2002年以來,俞書宏便開始從事仿生材料領域的研究工作。從早些年無機納米材料的仿生合成,到近年來對宏觀尺度納米復合結構材料的仿生制備及應用,他進行了系統性探索研究。

            俞書宏帶領課題組近年來在仿生材料方面取得了系列進展,包括建立和發展了系列無機納米材料的仿生合成、自組裝技術及模擬生物礦化方法,并基于這些技術方法成功仿生合成了多種神奇的宏觀尺度輕質高強新材料。例如與天然珍珠母高度類似的人工合成珍珠母;受北極熊毛發中空結構啟發,研制的新型輕質、保溫、隔熱碳材料;防火、隔熱、耐腐蝕的仿生聚合物木材等。

            從俞書宏實驗室走出的這些綜合性能全面超越傳統材料的新材料,不僅對軍事、國防、工業等相關領域具有重要戰略意義,也對提升老百姓生活品質有著妙筆生花的作用。2016年,參照軟體動物合成天然珍珠母的砌墻式策略,俞書宏和團隊提出一種新的“組裝與礦化”合成方法,從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學組分,在世界上首次成功礦化合成了人工珍珠母。這種仿珍珠母材料的化學組分、結構,與天然珍珠母相似,力學性能相當,密度更低,具有優越的抗斷裂性能?!罢渲槟甘秦悮ぶ械膬葘硬牧?,與珍珠具有相似的組成和結構,通常含有95%以上的碳酸鈣。但這種碳酸鈣并不是傳統意義上的粉末,它形成了一種特殊的結構?!庇釙晖嘎?,他的研究就是從一個側面來模仿貝殼、珍珠、骨骼等結構,制備出性能可以與自然界依靠生命體創造的材料相媲美的新材料。據介紹,這種新材料可以用于人工骨骼、人工牙齒的制作,目前正在和相關醫院進行合作試驗中。

            不斷促進成果轉化、投入應用生產,是俞書宏追求的方向?!按笠幠5暮炅恐苽浜托∫幠5膶嶒炇抑苽?,是完全不同的物理和化學過程?!币虼?,如何保證宏量制備納米材料的組分與形貌的一致性和穩定性,其中也涉及大量的基礎科學問題,俞書宏帶領團隊不斷努力著。最近,團隊實現了纖維素納米纖維的宏量制備,相比于高成本、過程復雜、耗時超過3天的傳統制備方法,他們研發的方法可以在半小時內實現纖維素納米纖維的快速宏量制備,且具有更好的形貌和性能,這讓纖維素納米纖維得到市場認可又向前邁進了一大步。這讓俞書宏非常高興,他說:“科技最終是要為人服務。成果得到認可,是科學家最開心的事?!?/span>



            “成績是下一步的起點,科學研究永遠在路上”

            作為高校教師,俞書宏還承擔著培養人才的重任。他把為學生們發掘內驅力放在人才培養的首位?!白隹蒲蟹浅P量?,但只要真正感興趣就會苦中有樂。只有興趣驅動的科研,才是最原汁原味的,也是最有推動力的?!庇釙暾f,他從事科研的動力是源于對自然和科學的熱愛,也希望幫助青年科技工作者們找到這種興趣。

            長期泡在實驗室,一呆十幾個小時,對工作耐心是一種考驗?!皬氖驴蒲泄ぷ鞯哪贻p人應該志存高遠,坐得了‘冷板凳’。要專注一個方向,堅持做從‘0’到‘1’的原創性工作;要培養自己面對困難的勇氣和解決問題的能力,而不是圍著‘帽子’和‘票子’轉;其次,要積極與同事及其他領域的研究者開展合作,不要故步自封,科研上的交流合作常常會產生‘1+1遠大于2’的效果?!边@是俞書宏對學生們反復提出的期望,他自己也是這么做的。早上7點多到實驗室,晚上快11點離開,這是他工作的常態?!盃幏謯Z秒,拿出有‘含金量’的成果來回報國家和社會”是俞書宏敬業的不竭動力。這些年來,他先后獲得國家自然科學二等獎、中國青年科技獎、安徽省重大科技成就獎等榮譽。

            為了鼓勵更多的青年科技工作者奮進,他自己為全體實驗室人員設計了一款隊服。這是一件看起來很普通的黑色T恤,但后背上卻“別有用心”地印著“1.01365=37.8”和“0.99365=0.03”兩行數學算式?!八闶缴狭谐隽?.01的365次方等于37.8;0.99的365次方等于0.03。意思就是提醒我們,每天多努力一點和少努力一點,一年365天累積下來的結果差距是巨大的?!庇釙陮嶒炇页蓡T、中國科大副研究員高懷嶺說,“俞老師常跟我們說的是,成績是下一步的起點,科學研究永遠在路上?!闭情L年鼓著這樣一股拼搏精神,俞書宏及其團隊才不斷突破自我,屢有建樹。

            不久前,習近平總書記給科技工作者代表的一封回信再次點燃了俞書宏心中科技報國的宏志,他說:“作為黨和人民培養的一名從事基礎科學研究的科技工作者,我將不忘初心,牢記使命,攻堅克難,勇攀科學高峰,為創新型國家建設,為把我國建設成世界科技強國作出新的更大的貢獻!” 


            來源:科學溫故社

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