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當前觀察：【我心向黨報國興皖·走近院士】俞書宏師法自然的“材料魔術師”

2022-09-15 15:46:07來源：安徽新聞網-安徽日報

院士在精密制備實驗室構思仿生熱防護材料的結構設計方案。

俞書宏院士在仿生礦化實驗室觀察人工礦化合成的仿生新材料。

(相關資料圖)

俞書宏院士在仿生材料實驗室與學生討論輕質高強仿生結構材料的研發工作。

俞書宏院士在性能測試間研究納米線組裝器件的光電性能。

俞書宏院士在仿生材料實驗室指導研究生開展仿生生物醫用材料研究。

俞書宏院士在化學合成實驗室為學生講解實驗儀器的使用規范。

俞書宏院士在化學合成實驗室研究納米材料合成過程中的實驗現象。

海浪拍岸，把貝殼送給了沙灘。普通人撿起來，當作美麗的飾品；科學家卻帶回實驗室，探索自然的奧秘。

“貝殼是一種碳酸鈣礦物，是依靠生命體富集鈣離子，在蛋白質和其他生物大分子的調控下生長出來的一種天然材料。我們通過學習自然界中貝殼等生物材料的獨特微觀結構及形成機理，然后再模仿它的生長過程，就可以結合現有的人工原料仿生合成多種性能遠超常規材料的新型材料，這就是仿生材料。”中國科學院院士、中國科學技術大學化學系教授俞書宏長期從事無機材料的仿生合成及應用研究，被譽為師法自然的“材料魔術師”。

大自然就像一個奇妙的“合成工廠”，能制造出具有各種奇異功能的生物材料或生物體。“貝殼的層狀結構，就像階梯教室一樣，一層一層堆積而成。”俞書宏介紹，貝殼的內層材料珍珠母，具有砌墻式的“磚—泥”微觀結構，其中“磚”是碳酸鈣薄片，“泥”是蛋白質等有機物。2002年回國后，他帶領團隊參照軟體動物合成天然珍珠母的砌墻式策略，提出一種新的“組裝與礦化”法，從源頭上模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學組分。

十五年磨一劍。2016年，俞書宏團隊在世界上首次成功礦化合成了人工珍珠母，研究成果發表在《科學》（Science）上，被該刊評論稱 “提出的礦化方法是一項突破性進展”。“模仿自然界礦物的生長過程難度非常大，我們在3周左右時間里，就能制備出宏觀尺度珍珠母結構的塊狀材料，這種材料與天然珍珠母力學性能相當，且密度更低，具有優越的抗斷裂性能。”俞書宏說，“此后，我們課題組繼續探索怎樣讓人工合成的貝殼在力學強度上超越自然界的貝殼。隨后，我們又掌握了大尺度人工珍珠母的仿生合成原理，而且在實驗室里成功實現了宏觀尺度人工貝殼的制備。”

在科學家手中，廢棄材料也能變廢為寶。“比如稻草秸稈，我們把這些生物質里面的纖維素納米晶提取出來加工成材料，可以合成出天然納米纖維素高性能結構材料。”俞書宏介紹，這種材料的密度僅為鋼的六分之一、鋁合金的一半，加熱到一定溫度幾乎零膨脹，具有輕質高韌、綠色環保的優勢，是傳統合金材料、陶瓷和工程塑料不能比擬的，有望替代現有的工程塑料，在航空、航天、國防、民生等領域具有廣泛的應用前景。

受北極熊毛發啟發，研制出保溫隔熱材料；模仿竹子結構，成功制備出納米“竹子”……近年來，俞書宏不斷觀察自然，獲取仿生合成的靈感，又不斷解密自然，追溯新型材料的設計與組裝原理。一項項創新成果不斷問世，一篇篇高水平論文接連發表，很多學生和年輕學者常常向他請教高產高質的“秘訣”。

“興趣是最好的老師，更是科技工作者從事科研的驅動力。”俞書宏認為，自己之所以取得很多創新成果，離不開勤奮刻苦和執著創新。“我幾乎沒有周末或節假日，把自己的時間充分用在科研上。同時，追求科研的水平和質量，像國家倡導的那樣，努力多做一些‘從0到1’的原創性工作。”

雖然俞書宏大部分時間待在實驗室，但他卻期待仿生材料能夠走出實驗室，走向應用場景。“科技成果只有轉化成產品，才能變成現實生產力。”俞書宏說，“從微觀層面到宏觀尺度，我們已經能夠設計制備性能卓越的仿生材料。未來，我們有信心將這些低成本、環保型、可持續的生物基材料推向實際應用。”

■ 記者徐國康張理想徐旻昊攝影報道

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