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2020年06月19日
【安徽经济网】俞书宏:创出仿生材料领域新蓝海

近日,中国科学技术大学俞书宏院士荣获第二届全国创新争先奖章。

全国创新争先奖是继国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科学技术进步奖之后,国家批准设立的又一重大科技奖项,是仅次于国家最高科技奖的一个科技人才大奖。该奖主要表彰在科学研究、技术开发、重大装备和工程攻关、转化创业、科普及社会服务方面作出卓越贡献、在国内外具有影响力的优秀科技工作者和优秀科研团队。

俞书宏院士长期从事无机材料的仿生合成、组装及功能化应用等研究。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, 在无机化学领域取得突出成就。目前担任Langmuir, EnergyChem和Sci. China Mater.副主编, 担任Accounts of Chemical Research, Chemistry of Materials, Matter, Trends in Chemistry, Chemical Science, Materials Horizons, Nano Research等国际顾问编委、执行编委或编委。

他创立了介观尺度“组装与矿化”相结合的合成方法, 在国际上首次成功矿化合成了人工珍珠母,解决了这一世界公认的难题(Science 2016, 354, 107)。

他创制了具有优异隔热防火性能的轻质高强仿生木材, 被Science新闻、Scientific American选为亮点。

他发展了一种新型纳米纤维仿生结构材料的制造方法,成功研制了一类天然纳米纤维素构筑的轻质高强韧高性能结构材料。

致力于仿生材料让未来更美好

俞书宏于2019年当选中国科学院院士

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。

据了解,中国科学技术大学俞书宏院士团队成功研制出一种新型纳米纤维素仿生结构材料。这种天然纳米纤维素高性能结构材料的密度非常低,仅为钢的1/6、铝合金的一半,其单位密度下强度、单位密度下韧性均超过传统合金材料、陶瓷和工程塑料。同时,该材料还具有极高尺度稳定性,热膨胀系数极低,远优于传统合金材料和工程塑料,即使在受到剧烈热冲击条件下,力学性能与尺寸依然高度稳定。此外,该材料还具有极高的抗冲击性能、高损伤容限以及能量吸收性能。

仿生材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。仿生材料神在哪儿?我们举个例子,如果用仿生技术制造出人工骨骼、人工牙齿等与人体组织一样的材料,那么对需要进行骨骼、牙齿移植的人来说是多么好的事啊!仿生材料的价值即在于此。当然,仿生材料的应用领域远不止此,在航空、航天、军事、国防、民生等领域都有着广泛的应用前景。

在俞书宏团队的仿生与纳米化学实验室,记者看到两块像木板和贝壳样的东西。你很难想象,其中一块是利用自然界的木屑、秸秆等农林废弃物,通过纳米和仿生技术加工制造而成的,和普通材料相比,它具有更加突出的强度和硬度,并且具有防火隔热耐腐蚀等特性,这些特性使它在航空航天等高端制造领域具有非常广阔的应用前景。

自2002年以来,俞书宏院士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,进行了系统性探索研究。俞书宏说,目前,他带领课题组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。

俞书宏院士介绍,人类对生物矿物的研究已逾百年,主要研究对象包括贝壳、骨骼、牙齿、磁小体、硅藻等,研究内容包括矿化生长机理和生物矿物微观结构等。通过对生物矿物微观结构的观察和深入研究,人们认识到多级有序结构对材料宏观性能的提升能起到至关重要的作用,从而开启了对仿生结构材料的研究。近20年来,俞书宏一直从事无机材料的仿生合成及功能化应用研究,在这一过程中,俞书宏团队创新性地提出了多种科学理念,并在2016年,在世界上首次实现了化学组分和结构都与天然珍珠相似,但有着更加良好物理特性的仿生合成材料。

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。

塑料给了我们一种轻质、坚固、价廉的材料来使用,但它也引发了塑料灾难。许多未经回收的塑料废料最终流入海洋,一个塑料袋可被海浪、阳光和海洋动物分解,就可以变成175万个微塑料碎片。这些微型塑料最终可能会通过我们吃的鱼或喝的水进入我们的身体。

在地球上大多数植物的长期进化过程中,纤维素基材料已经发展成为它们自己的结构支撑材料。植物中的纤维素主要以纤维素纳米纤维(CNF)的形式存在,具有优异的力学和热性能。CNF是地球上最丰富的绿色资源之一,可以从植物中提取,也可以由细菌产生。CNF比钢具有更高的强度和模量,比硅玻璃具有更低的热膨胀系数,是构建宏观高性能材料的理想纳米结构块。基于这种生物基、可生物降解的建筑材料,构建可持续、高性能的结构材料,将极大地促进塑料的替代,有助于我们避免塑料世界灾难。俞书宏教授课题组报道了一种高性能可持续结构材料,称为纤维素纳米纤维板(CNFP),该材料可在许多领域替代塑料。

CNFP具有优异的耐极端温度和耐热冲击的性能。CNFP的热膨胀系数接近陶瓷材料,远低于典型的聚合物和金属。此外,在120℃烘箱和-196℃液氮之间经过10次快速热冲击后,CNFP仍然可以保持其强度。这些结果表明,CNFP具有优异的热尺寸稳定性,使得CNFP在极端温度和交替冷热条件下具有巨大的应用潜力。

由于CNFP广泛的原材料,生物辅助合成工艺简单,成本较低,仅为0.5美元/公斤,低于大多数塑料。CNFP具有低密度、优异的强韧性和良好的热尺寸稳定性,所有这些性能都超过了传统的金属、陶瓷和聚合物,使其成为高性能和环保的工程替代品,特别是在航空航天领域。CNFP不仅具有取代塑料,还可以使我们避免陷入不可回收塑料的深水中去,而且具有作为下一代可持续轻质结构材料具有巨大的潜力。

近年来,俞书宏院士在仿生木材、超弹性抗疲劳材料等研究领域先后在国际著名期刊上发表了多项具有较大影响力的学术论文和科研成果,在实验室制备出了多种结构和性能都非常优越的新型纳米材料,并积极推动这些科研成果实现就地转移转化。

在关键材料领域决不能被“卡脖子”

俞书宏院士在指导学生进行新材料研发

俞书宏团队在分析数据

俞书宏介绍,自然就像是一个先进的“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,通过对这些生物材料的结构和性能研究,能为人们在微尺度上的仿生材料设计开辟新的途径。

多年来,俞书宏在科研上得到的启示,很多都来源大自然。

“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。

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。

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、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。

在致力于科学前沿研究的同时,俞书宏还把人才培养放在重要的位置,注重培养学生养成良好的科研习惯,目前由他培养的博士就超过了80人。

“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”的效果。

“俞老师给了我们非常宽松的科研氛围,但在细节上非常严谨,对我们要求非常严格,并鼓励我们勇于创新。”中国科学技术大学博士后、俞书宏团队的管庆方告诉记者。

记者短评

情怀!家国!

在中国科学技术大学采访俞书宏院士的时候,对于荣获第二届全国创新争先奖章,院士的寥寥数语令我肃然起敬:“听说获得这个奖章的一刹那有点激动、兴奋,也就几秒钟吧。心里面就想,这有什么可激动的,做出一点成绩是应该的,我们大家都把自己岗位工作做好了,那我们的事业就能得到更好的发展。对于我们科技工作者来说,还有着很多很多的未知领域等着我们去探索去认知。科技创新要永不止步,奖章是鼓励,是激励我们更加努力工作。”

朴实的几句话,那种科学家的情怀让人动容。情怀,是科学家最珍贵的品质,为人类造福,为家国振兴。

在俞书宏身上,我看到了淡泊名利的品质。“做科研的,要坐得了‘冷板凳’,专注一个方向,坚持做一些从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。”这是俞书宏经常告诫学生的话,又何尝不是他对自己淡泊名利的自勉呢!

在俞书宏身上,我看到了科技报国的情怀。“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’。我们要多解决材料方面的‘卡脖子’问题,为加快创新型国家建设作出应有的努力。”从俞书宏向记者说的这些话里,流露出浓浓的家国情怀。

(安徽经济报融媒体记者 许成宽)

安徽经济网

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