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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合吳恒安教授團(tuán)隊(duì)成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機(jī)制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理設(shè)計(jì)和制備提供了新的見解。研究成果于6月23日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

為什么要研究普普通通的河蚌呢？“我們要向自然學(xué)習(xí)”，俞書宏院士堅(jiān)定地說，“通過解析自然材料，特別是生命體所創(chuàng)造的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物材料，搞清楚包括它的組成、結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，用于指導(dǎo)我們在仿生領(lǐng)域開展更多的探索研究?！闭且?yàn)橛釙暝菏刻岢龅莫?dú)特研究思路和視角，他獲得了新基石科學(xué)基金會的資助，入選首批新基石研究員。

俞書宏院士及其團(tuán)隊(duì)早在2016年，就模仿雙殼綱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”聯(lián)用的介觀組裝合成方法，從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學(xué)組分，在國際上首次成功礦化合成了人工珍珠母材料，相比于天然珍珠母長達(dá)數(shù)月的形成周期，人工珍珠母合成只需要兩周左右的時間，相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science》上。俞書宏院士表示，通過對生物材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)致觀察和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)多級有序結(jié)構(gòu)對材料宏觀性能的提升能起到至關(guān)重要的作用。

“有所發(fā)現(xiàn)”、“有所發(fā)明”、“有所創(chuàng)造”，俞書宏院士用這三個詞總結(jié)了團(tuán)隊(duì)的期待和目標(biāo)，“這是我們仿生材料研究團(tuán)隊(duì)的科研理念。首先是有所發(fā)現(xiàn)，要學(xué)會發(fā)現(xiàn)自然界神奇的生物材料的特殊性質(zhì)，通過解析天然材料結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，能夠幫助我們明晰新材料的創(chuàng)制與設(shè)計(jì)理念，接著要有所發(fā)明，將提取的設(shè)計(jì)原理用于仿生材料的制備合成，最后有所創(chuàng)造，通過將從自然材料結(jié)構(gòu)解析中獲得的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念交叉融合，力求創(chuàng)制出全新的人工材料，并將研究成果應(yīng)用到實(shí)際材料的創(chuàng)制中，以提升材料性能”。

此外，在仿生材料研究領(lǐng)域，除了需要懂得化學(xué)材料相關(guān)知識，也需要對生物學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的知識有所掌握。這也是研究的難點(diǎn)之一，要求研究人員具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉能力。俞書宏院士說，“天然材料，特別是生物材料，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在研究的時候需要我們具有跨學(xué)科的知識儲備?！庇釙暝菏恳步?jīng)常指導(dǎo)剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，鼓勵同學(xué)們在仿生材料領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)自己感興趣的方向并開展研究工作。

“人工材料難在制備，自然材料難在解析”，茅瓅波副研究員說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從宏觀尺度直達(dá)分子尺度。想要把如此復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)以及性能之間的聯(lián)系說清楚，十分具有挑戰(zhàn)性。”

這項(xiàng)研究持續(xù)了十余年，從2013年就已經(jīng)在俞書宏院士的指導(dǎo)下開始進(jìn)行。2015年茅瓅波副研究員從他的師兄劉蕾那里接過這項(xiàng)工作，繼續(xù)開展河蚌鉸鏈的解析，但一直認(rèn)為沒有達(dá)到俞書宏院士期望的完成度。2017年，茅瓅波副研究員博士畢業(yè)后，和同年入學(xué)的師弟孟祥森開始合作繼續(xù)推進(jìn)這一研究工作，沒想到一做又是六年。在長達(dá)近十年的研究工作中，是俞書宏院士對基礎(chǔ)科學(xué)長期研究的堅(jiān)守和信心，為工作的開展提供了最好的條件和保障，這也與他一貫提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做從0到1的科研”的科研理念高度一致，正是俞書宏院士對科研方向的遠(yuǎn)見、傳承和堅(jiān)持，最終才能夠取得又一突破性的成果。

隨著近年來小型智能化的可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢，可以說 “柔性”性能是未來產(chǎn)品開發(fā)的重要方向之一，像折疊屏、折疊手機(jī)已經(jīng)逐漸融入我們的日常生活。但是，要想真正實(shí)現(xiàn)可靠的“柔性”性能，目前還存在亟需解決的問題。

這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略對于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創(chuàng)制具有普遍的指導(dǎo)意義。俞書宏院士表示，仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設(shè)計(jì)理念，能創(chuàng)制出新的具有更優(yōu)越性能的新材料，在航空航天、特種環(huán)境、防護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的功能和應(yīng)用價值，這也是團(tuán)隊(duì)未來努力要做的重要方向。（記者 汪喬 實(shí)習(xí)生 王克青）

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