俞書宏院士在化學(xué)合成實驗室研究納米材料合成過程中的實驗現(xiàn)象。
海浪拍岸，把貝殼送給了沙灘。普通人撿起來，當(dāng)作美麗的飾品；科學(xué)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(zhì)和其他生物大分子的調(diào)控下生長出來的一種天然材料。我們通過學(xué)習(xí)自然界中像貝殼等生物材料的獨特微觀結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理，然后再模仿它的生長過程，就可以結(jié)合現(xiàn)有的人工原料仿生合成多種性能遠(yuǎn)超常規(guī)材料的新型材料，這就是仿生材料。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系教授俞書宏長期從事無機(jī)材料的仿生合成及應(yīng)用研究，被譽(yù)為師法自然的“材料魔術(shù)師”。
俞書宏院士在仿生材料實驗室與學(xué)生討論輕質(zhì)高強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)工作。
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(jié)構(gòu)，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(nèi)層材料珍珠母，具有砌墻式的“磚—泥”微觀結(jié)構(gòu)，其中“磚”是碳酸鈣薄片，“泥”是蛋白質(zhì)等有機(jī)物。2002年回國后，他帶領(lǐng)團(tuán)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(xué)組分。
俞書宏院士在精密制備實驗室構(gòu)思仿生熱防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。
十五年磨一劍。2016年，俞書宏團(tuán)隊在世界上首次成功礦化合成了人工珍珠母，研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上，被該刊評論稱為“提出的礦化方法是一項突破性進(jìn)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(jié)構(gòu)的塊狀材料，這種材料與天然珍珠母力學(xué)性能相當(dāng)，且密度更低，具有優(yōu)越的抗斷裂性能。”俞書宏說，“此后，我們課題組繼續(xù)探索怎樣讓人工合成的貝殼在力學(xué)強(qiáng)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(xiàn)了宏觀尺度人工貝殼的制備。”
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。
在科學(xué)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)高韌、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)合金材料、陶瓷和工程塑料不能比擬的，有望替代現(xiàn)有的工程塑料，在航空、航天、國防、民生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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。
受北極熊毛發(fā)啟發(fā)，研制出保溫隔熱材料；模仿竹子結(jié)構(gòu)，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(shè)計與組裝原理。一項項創(chuàng)新成果不斷問世，一篇篇高水平論文接連發(fā)表，很多學(xué)生和年輕學(xué)者常常向他請教高產(chǎn)高質(zhì)的“秘訣”。
俞書宏院士在仿生材料實驗室指導(dǎo)研究生開展仿生生物醫(yī)用材料研究。
“興趣是最好的老師，更是科技工作者從事科研的驅(qū)動力。”俞書宏認(rèn)為，自己之所以取得很多創(chuàng)新成果，離不開勤奮刻苦和執(zhí)著創(chuàng)新。“我?guī)缀鯖]有周末或節(jié)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(zhì)量，像國家倡導(dǎo)的那樣，努力多做一些‘從0到1’的原創(chuàng)性工作。”
俞書宏院士在比較幾種用于替代塑料的新型生物質(zhì)基仿生材料。
俞書宏院士在化學(xué)合成實驗室為學(xué)生講解實驗儀器的使用規(guī)范。
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(yīng)用場景。“科技成果只有轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，才能變成現(xiàn)實生產(chǎn)力。”俞書宏說，“從微觀層面到宏觀尺度，我們已經(jīng)能夠設(shè)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(huán)保型、可持續(xù)的生物基材料推向?qū)嶋H應(yīng)用。”
俞書宏，1967年8月生于合肥市廬江縣，無機(jī)化學(xué)家，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系教授、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心納米材料與化學(xué)研究部主任、安徽省化學(xué)學(xué)會理事長、安徽省科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)會理事長。
長期從事無機(jī)材料的仿生合成及應(yīng)用研究，在仿生工程材料的設(shè)計制備及應(yīng)用領(lǐng)域取得了一系列原創(chuàng)性成果，為實用仿生結(jié)構(gòu)功能材料的創(chuàng)制及其應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。他創(chuàng)立了介觀尺度“組裝與礦化”相結(jié)合的合成方法，首次成功礦化合成了人工珍珠母，創(chuàng)制了具有優(yōu)異隔熱防火性能的輕質(zhì)高強(qiáng)仿生木材、人工盔甲等一系列仿生復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)材料。發(fā)表研究論文550余篇，論文被引用7萬余次，2014年—2021年連續(xù)入選全球高被引作者名錄。3次獲國家自然科學(xué)二等獎，獲全國創(chuàng)新爭先獎?wù)隆⒅袊茖W(xué)院杰出科技成就獎、安徽省重大科技成就獎等重要獎項與榮譽(yù)。
曾入選中國科學(xué)院引進(jìn)國外杰出人才，獲得國家杰出青年基金，擔(dān)任國家重大科學(xué)研究計劃項目首席科學(xué)家、國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項目負(fù)責(zé)人。
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