【安徽日报】神奇仿生材料改变未来 2020-05-19

本报记者 陈婉婉

材料是人类文明的基础和支柱。历史学家曾用材料来划分人类进化史上不同的时代,石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代等因而得名。材料科学的发展见证着人类社会的进步。近年来,一批功能新颖而强大的仿生材料从中国科学技术大学俞书宏院士团队实验室里诞生。大到航空航天、小到寻常生活,都有望因此而改变。



研制更轻更坚韧的

天然纤维素块材

研制综合性能全面超越工程塑料、陶瓷和金属材料等传统结构材料的新型轻质高强韧材料,对航空航天等相关领域具有重要的战略意义,对优化百姓生活也有着画龙点睛的妙用。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种新型纳米纤维素仿生结构材料的制造方法,成功研制出一类天然纳米纤维素高性能仿生结构材料。该材料具有优异的综合性能,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,这种新型全生物质仿生结构材料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。

在俞书宏团队实验室,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。可以预见,它将在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等领域具有广阔的应用前景。

将自然启示投射于实验室

多年来,俞书宏在科研上得到的启示,很多都来自于大自然。

“基于自然启发,自2002年回国以来,我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,进行了较系统的探索研究。”俞书宏说。目前,他带领课题组已在仿生材料方面取得系列进展,包括开发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等。

“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。”俞书宏说。贝壳是一种很好的层状结构,就像宏观上常见的砖泥堆砌的墙和阶梯教室一样,一层一层堆积而成,这种砌墙式的砖泥结构强度、韧性非常好。俞书宏团队参照软体动物合成天然珍珠母的砌墙式策略,提出一种新的“组装与矿化”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。

多领域合作让“1+1>2”

值得注意的是,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,需要研究者对纳米材料合成的条件、机理与过程有深入和细致的了解。

最近,俞书宏带领课题组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。

神奇的材料背后一定都有相应的科学原理。从宏观获取启示,再到微观实验,最后回归宏观应用,一直是俞书宏团队在做的工作。俞书宏表示,就具体材料而言,在材料领域没有最好只有更好,所以要随着科技和人们生活水平的进步与提升,不断研发更好更实用的优异材料,“比如大家熟悉的碳酸钙,早在200年前就被用来制造水泥。而如今,碳酸钙不仅可以制造水泥,还可以制备其他新型复合新材料,已在航空、航天、军事、国防、民生等领域大展身手。”

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,为国家发展多做贡献。”俞书宏说。近年来,他和团队一直把实现仿生材料系列化,提升传统材料性能作为科研目标。

“希望年轻人在确定自己科研方向时,多结合国情,多思考国家战略和老百姓日常生活中的需求,用自己所学回报社会。”俞书宏说。他不断鼓励学生应重视合作,特别是与其他领域研究者的合作,因为科研合作经常会取得“1+1远大于2”的成果效果。

题图:5月9日,俞书宏院士指导学生进行新材料研发。本报记者 徐旻昊 摄


《安徽日报》(2020年05月19日12版)http://app.ahrb.com.cn/ahrb/layout/202005/19/node_12.html#c146693




     
中国科大新闻网
中国科大官方微博
中国科大官方微信

Copyright 2007 - 2008 All Rights Reserved 中国科学技术大学 版权所有 Email:news@ustc.edu.cn

主办:中国科学技术大学 承办:新闻中心 技术支持:网络信息中心

地址:安徽省合肥市金寨路96号 邮编:230026