專訪俞書宏院士：我的仿生材料研究，從興趣驅(qū)動(dòng)到服務(wù)社會(huì)

【采寫】趙維杰（NSR編輯部）

2016年8月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏課題組在Science發(fā)表文章，報(bào)道了人類首次通過模擬天然珍珠母生長過程而獲得的人工珍珠母材料，這種材料具有與天然珍珠母高度相似的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)，并因此兼具強(qiáng)度及韌性。在過去二十多年中，俞書宏課題組專注于“仿生材料”領(lǐng)域，除了貝殼與珍珠，他們的模擬對象還包括骨骼、魚皮、竹節(jié)、木材、蓮藕絲等等。他們合成的仿生材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在多個(gè)領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。

在這篇NSR專訪中，俞書宏院士介紹了許多有趣的工作。他也表示，他的研究工作最初是由興趣和好奇心驅(qū)動(dòng)的，但近年來，也希望能擔(dān)負(fù)起作為科研工作者的社會(huì)責(zé)任，讓科研成果造福社會(huì)與國家。

俞書宏院士（中）與團(tuán)隊(duì)成員

NSR：在材料學(xué)發(fā)展史上，有哪些仿生材料獲得應(yīng)用的著名案例？

俞書宏：仿生材料學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科研究方向，一直受到科學(xué)界的關(guān)注，近年來又有新的興起和發(fā)展。仿生材料的應(yīng)用很多，比如當(dāng)前多數(shù)飛行器都模仿了飛鳥的整體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)平衡和減少氣流阻力；游泳運(yùn)動(dòng)員的泳衣也從鯊魚皮中汲取靈感，進(jìn)行了減阻設(shè)計(jì)，助力他們?nèi)〉酶玫某煽儭?/p>

我們研究組研發(fā)的全生物質(zhì)輕質(zhì)高強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)材料也具有很好的應(yīng)用前景，相信在不久的將來有望替代基于化石資源的塑料制品，加速人類進(jìn)入后塑料時(shí)代的步伐。

NSR：您所說的“全生物質(zhì)輕質(zhì)高強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)材料”是一類怎樣的材料？

俞書宏：全生物質(zhì)輕質(zhì)高強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu)材料，首先它的來源是全生物質(zhì)的，我們對自然界中的廢棄生物質(zhì)，比如樹枝、樹葉、草葉、秸稈等，進(jìn)行再利用，將這些材料還原為基本的納米化結(jié)構(gòu)單元，比如纖維素；然后經(jīng)過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將這些結(jié)構(gòu)單元重新加工為可用的薄膜、塊體等形式的材料；最終獲得的材料可以具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌等優(yōu)異的力學(xué)性能，就可以成為一種綠色可降解的塑料替代品，有望在將來得到非常廣泛的應(yīng)用。

您的研究工作

NSR：您是如何進(jìn)入仿生材料研究領(lǐng)域的？

俞書宏：我早年從事納米材料的化學(xué)液相合成研究，在德國馬普膠體與界面研究所從事洪堡研究時(shí)，開展生物礦化研究。生物礦化是一種自然現(xiàn)象，也是一個(gè)古老的研究領(lǐng)域。自然界中，貝殼、珍珠，以及動(dòng)物體內(nèi)骨骼、牙齒的形成，都是生物礦化的過程。這些過程往往需要生物大分子的參與，從而使原本是粉末狀的碳酸鈣、羥基磷酸鈣等無機(jī)成分組裝成有序的微觀結(jié)構(gòu)，并形成宏觀上具有優(yōu)異性能的生物材料。

2002年回國獨(dú)立建組后，我繼續(xù)圍繞礦物物相和結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控開展研究。那時(shí)候大家做的都是納米粉體，這些粉體可以作為涂層材料或者添加劑來改善材料的性能。但是它們不僅產(chǎn)量很少，而且其精美結(jié)構(gòu)也必須用電子顯微鏡才能看到。所以我一直在思考如何才能把我們的材料從納米粉體變成像貝殼、珊瑚、骨骼那樣的宏觀塊體材料。

2010年我們申請并獲批了一個(gè)關(guān)于輕質(zhì)高強(qiáng)韌仿生復(fù)合材料方面的國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目，以此為契機(jī)，我們課題組開始探索模仿生物材料的結(jié)構(gòu)以及它們生長的方式的探索研究，嘗試如何實(shí)現(xiàn)在完全人工的環(huán)境中制備和生長新型仿生材料。

NSR：在2016年Science文章之后，您關(guān)于貝殼的研究又有哪些進(jìn)展？

俞書宏：2016年，我的團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)室合成了人工珍珠母。天然的貝殼珍珠母是一種層狀的磚泥結(jié)構(gòu)，就像用水泥和磚塊砌墻一樣，分泌出來的生物大分子形成一層“水泥網(wǎng)格”，碳酸鈣在里面生長成“磚塊”，這樣一層一層的進(jìn)行堆垛。我們模擬這種結(jié)構(gòu)，人工生長出了類似結(jié)構(gòu)的人工珍珠母材料。

但是和天然珍珠母相比，它在性能上和結(jié)構(gòu)上仍然存在較大的差距，我的團(tuán)隊(duì)這些年一直在思考，我們能否進(jìn)一步提升和改善層狀仿生材料的力學(xué)性能。隨著對貝殼增韌機(jī)制的認(rèn)識(shí)，2022年，我們通過在人工珍珠母的礦化生長過程中加入氧化鐵納米顆粒，成功在珍珠母的層狀結(jié)構(gòu)中引入殘余應(yīng)力，極大地增大了材料的強(qiáng)度，顯著提升了仿貝殼陶瓷的韌性。

在珍珠母的研究過程中，我們還關(guān)注到連接貝殼兩殼的鉸鏈部位，這個(gè)部位雖然也是由碳酸鈣礦物和有機(jī)基質(zhì)組成的，但和貝殼這種剛性硬質(zhì)的礦物不同，鉸鏈中的礦物能夠發(fā)生形變，并且在貝殼反復(fù)的開合中不發(fā)生疲勞失效。我覺得對這個(gè)部位的研究應(yīng)該能帶給我們新的啟發(fā)。通過10多年的研究，我們終于成功解析了這個(gè)部位的精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一種可發(fā)生形變的生物陶瓷，研究了其抗疲勞及發(fā)生形變的機(jī)制，今后可用以指導(dǎo)抗疲勞新材料的設(shè)計(jì)及制備。2023年，我們對鉸鏈生物陶瓷的解析工作發(fā)表在Science上，也算是一個(gè)階段性的進(jìn)展。

(a) 俞書宏團(tuán)隊(duì)合成的人工珍珠母材料；(b) 天然貝殼中，連接貝殼兩殼的鉸鏈部位。

NSR：除貝殼外，您模仿過的生物材料還有哪些？您是如何選擇模仿的對象的？

俞書宏：我們研究組從2002年開始確立仿生材料研究方向。其中貝殼是我們組長期堅(jiān)持研究的生物材料之一。此外，從2017年起，我們還開始對自然界中廣泛存在的生物布利岡結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析與仿生研究。布利岡結(jié)構(gòu)最初是在亞馬遜河流域的巨骨舌魚的魚鱗中被關(guān)注到的，它是由一層一層的納米纖維粘結(jié)在一起形成的，其中每一層中的纖維朝一個(gè)方向排列成膜，而相鄰兩層的纖維排列方向之間有一個(gè)3到5度的角度，這樣一層一層螺旋堆疊起來的。類似的結(jié)構(gòu)在龍蝦腹膜、骨骼等生物材料中廣泛存在。我們模仿這種結(jié)構(gòu)，努力將它的力學(xué)性能，包括強(qiáng)度、韌性、模量等都模擬出來，揭示了竹節(jié)等纖維基布利岡結(jié)構(gòu)的基本原理，構(gòu)筑了系列仿生螺旋布利岡結(jié)構(gòu)微納復(fù)合材料。

關(guān)于生物材料對象的選擇，我們當(dāng)前主要關(guān)注生物材料的力學(xué)性能，選擇具有優(yōu)越力學(xué)性能的生物材料作為我們的研究對象，發(fā)現(xiàn)并解析生物材料的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，進(jìn)而提煉出可以運(yùn)用到仿生材料設(shè)計(jì)的原理和依據(jù)，模仿自然界中具有突出力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌性、模量、硬度、抗疲勞等）的生物組織。這些新型仿生結(jié)構(gòu)材料在諸多國家戰(zhàn)略性領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)重要基礎(chǔ)地位。

NSR：您團(tuán)隊(duì)合成的仿生材料中，有哪些是已經(jīng)或者即將獲得實(shí)際應(yīng)用的？

俞書宏：我們團(tuán)隊(duì)有很多材料都有非常大的應(yīng)用前景。我們研發(fā)的仿生骨材料應(yīng)用于動(dòng)物骨組織的修復(fù)，取得了很好的效果；在2022年，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的空氣凈化材料就已經(jīng)用于空氣凈化器的生產(chǎn)。我們研發(fā)的聚乳酸-云母仿生薄膜材料，在食品包裝領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，本團(tuán)隊(duì)的學(xué)生也憑借這項(xiàng)研究成果獲得了2023年的“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國金獎(jiǎng)，為后期的項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化打下了非常好的基礎(chǔ)。除此之外，我們正在與不同的企業(yè)和科研院所商討合作，為本團(tuán)隊(duì)的仿生材料探索更多的應(yīng)用場景，包括全生物質(zhì)防火隔熱氣凝膠、可拉伸不回彈手術(shù)縫合線、仿生防火人造板、仿生絕緣材料等。

對仿生材料領(lǐng)域的思考與展望

NSR：目前大部分仿生材料所模仿的似乎都是天然材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。未來我們對天然材料的模仿還會(huì)拓展到更多方向嗎？

俞書宏：是的，未來對天然材料的仿生研究一定會(huì)拓展到更多方向。首先，我們可以模仿更廣泛的生物特性，包括生物的化學(xué)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性等，比如通過模仿天然生物合成無機(jī)組分或小分子有機(jī)物的過程，來實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的有機(jī)無機(jī)雜化材料的設(shè)計(jì)和制備。

同時(shí)也可以通過仿生設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)更多的功能性。例如，通過模仿鯊魚皮膚的微觀結(jié)構(gòu)，開發(fā)出防污涂料或者減阻材料；仿照蝴蝶翅膀的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出具有特殊光學(xué)效果的材料；利用仿貝殼結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)等性能的復(fù)合材料。

總的來說，未來對天然材料的仿生將會(huì)更加多樣化，也孕育著很多創(chuàng)新的機(jī)遇，為我們解決各種工程和科學(xué)挑戰(zhàn)提供更多選擇和可能性。

NSR：在仿生材料研究和合成的過程中，您認(rèn)為最困難、最需要?jiǎng)?chuàng)造力的步驟是什么？

俞書宏：仿生材料研究的創(chuàng)新源泉在于對自然界中十分奇特、令人驚嘆的生物材料的認(rèn)識(shí)理解。我認(rèn)為最困難、最需要?jiǎng)?chuàng)造力的步驟在于系統(tǒng)開展生物結(jié)構(gòu)材料解析的研究，利用現(xiàn)代最先進(jìn)的表征手段和技術(shù)，通過跨學(xué)科交叉手段，精準(zhǔn)提煉生物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)而指導(dǎo)仿生材料研究實(shí)踐。

此外，興趣是最好的老師，培養(yǎng)學(xué)生對大自然的好奇之心十分重要?？茖W(xué)家自己要有自信心和判斷力，認(rèn)準(zhǔn)目標(biāo)堅(jiān)持不懈地攻關(guān)，終將累積經(jīng)驗(yàn)、取得成功。

NSR：仿生材料領(lǐng)域正面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇有哪些？

俞書宏：挑戰(zhàn)主要來源于兩個(gè)方面。一個(gè)是設(shè)計(jì)問題，我們對天然生物材料的了解仍然只是很多零散個(gè)例，尚缺乏系統(tǒng)性的歸納，還沒有形成一個(gè)仿生設(shè)計(jì)的原理庫。另一個(gè)是宏量制備方面的瓶頸問題，現(xiàn)在雖然在實(shí)驗(yàn)室里做了很多種仿生材料，但要想真正把仿生材料用起來，還要解決放大生產(chǎn)的問題，這里面有很多問題要解決，比如材料放大以后性能也隨著下降了，以及材料如何加工成型等等。

當(dāng)然這里也有很大機(jī)遇。近幾年我們具備了更多的表征和模擬手段，所以我們也在嘗試系統(tǒng)性研究和總結(jié)生物材料的“結(jié)構(gòu)-組分-功能”關(guān)系。我們可能會(huì)先在某一類材料中得出共性的規(guī)律以及各自特色。同時(shí)，我們也集中了大量精力發(fā)展仿生材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)，并與企業(yè)開展合作，把我們現(xiàn)有的材料應(yīng)用到他們的產(chǎn)品中。

個(gè)人展望

NSR：在新的時(shí)代背景下，您對自己的研究和職業(yè)規(guī)劃有什么變化？

俞書宏：過去很長一段時(shí)間里，我的研究工作都主要是由興趣和好奇心驅(qū)動(dòng)的。但近些年來，我更注重作為一名科研工作者需要承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，經(jīng)常思考什么樣的科研是社會(huì)和國家最需要的。我們實(shí)驗(yàn)室目前許多科研項(xiàng)目都是面向?qū)嶋H應(yīng)用的，希望能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究成果的產(chǎn)業(yè)化，真正服務(wù)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求，而不是僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室里。因此在未來，我們會(huì)以重要實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向去設(shè)定我們的研究方向，去創(chuàng)制能夠真正解決實(shí)際問題的新材料。

NSR：未來5年，您對自己的研究有什么計(jì)劃和期望？

俞書宏：未來五年，在“雙碳”的大背景下，我還是要繼續(xù)致力于仿生可持續(xù)材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)，這些材料將在可持續(xù)發(fā)展中起到十分重要的作用。我國擁有大量的生物質(zhì)原料，它們都是通過光合作用產(chǎn)生的，是源源不斷的綠色原材料?；谶@些可再生生物質(zhì)原料創(chuàng)制后塑料時(shí)代新材料，是解決塑料污染的關(guān)鍵途徑。我們會(huì)繼續(xù)基于這些生物質(zhì)基原料來構(gòu)筑更多高性能的仿生可持續(xù)材料，加速人類進(jìn)入后塑料時(shí)代的步伐。

【本文是《國家科學(xué)評(píng)論》 Interview文章“Biomimetic Materials Research, from Interest-driven to Society-serving: An interview with Shu-Hong Yu”的中文版本】