俞书宏 师法自然的“材料魔术师”

本文转自：安徽日报

院士在精密制备实验室构思仿生热防护材料的结构设计方案。

俞书宏院士在仿生矿化实验室观察人工矿化合成的仿生新材料。

俞书宏院士在仿生材料实验室与学生讨论轻质高强仿生结构材料的研发工作。

▲ 俞书宏院士在性能测试间研究纳米线组装器件的光电性能。

? 俞书宏院士在仿生材料实验室指导研究生开展仿生生物医用材料研究。

? 俞书宏院士在化学合成实验室为学生讲解实验仪器的使用规范。

俞书宏院士在化学合成实验室研究纳米材料合成过程中的实验现象。

海浪拍岸，把贝壳送给了沙滩。普通人捡起来，当作美丽的饰品；科学家却带回实验室，探索自然的奥秘。

“贝壳是一种碳酸钙矿物，是依靠生命体富集钙离子，在蛋白质和其他生物大分子的调控下生长出来的一种天然材料。我们通过学习自然界中贝壳等生物材料的独特微观结构及形成机理，然后再模仿它的生长过程，就可以结合现有的人工原料仿生合成多种性能远超常规材料的新型材料，这就是仿生材料。”中国科学院院士、中国科学技术大学化学系教授俞书宏长期从事无机材料的仿生合成及应用研究，被誉为师法自然的“材料魔术师”。

大自然就像一个奇妙的“合成工厂”，能制造出具有各种奇异功能的生物材料或生物体。“贝壳的层状结构，就像阶梯教室一样，一层一层堆积而成。”俞书宏介绍，贝壳的内层材料珍珠母，具有砌墙式的“砖—泥”微观结构，其中“砖”是碳酸钙薄片，“泥”是蛋白质等有机物。2002年回国后，他带领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，从源头上模仿天然贝壳珍珠层的形成过程和化学组分。

十五年磨一剑。2016年，俞书宏团队在世界上首次成功矿化合成了人工珍珠母，研究成果发表在《科学》（Science）上，被该刊评论称 “提出的矿化方法是一项突破性进展”。“模仿自然界矿物的生长过程难度非常大，我们在3周左右时间里，就能制备出宏观尺度珍珠母结构的块状材料，这种材料与天然珍珠母力学性能相当，且密度更低，具有优越的抗断裂性能。”俞书宏说，“此后，我们课题组继续探索怎样让人工合成的贝壳在力学强度上超越自然界的贝壳。随后，我们又掌握了大尺度人工珍珠母的仿生合成原理，而且在实验室里成功实现了宏观尺度人工贝壳的制备。”

在科学家手中，废弃材料也能变废为宝。“比如稻草秸秆，我们把这些生物质里面的纤维素纳米晶提取出来加工成材料，可以合成出天然纳米纤维素高性能结构材料。”俞书宏介绍，这种材料的密度仅为钢的六分之一、铝合金的一半，加热到一定温度几乎零膨胀，具有轻质高韧、绿色环保的优势，是传统合金材料、陶瓷和工程塑料不能比拟的，有望替代现有的工程塑料，在航空、航天、国防、民生等领域具有广泛的应用前景。

受北极熊毛发启发，研制出保温隔热材料；模仿竹子结构，成功制备出纳米“竹子”……近年来，俞书宏不断观察自然，获取仿生合成的灵感，又不断解密自然，追溯新型材料的设计与组装原理。一项项创新成果不断问世，一篇篇高水平论文接连发表，很多学生和年轻学者常常向他请教高产高质的“秘诀”。

“兴趣是最好的老师，更是科技工作者从事科研的驱动力。”俞书宏认为，自己之所以取得很多创新成果，离不开勤奋刻苦和执着创新。“我几乎没有周末或节假日，把自己的时间充分用在科研上。同时，追求科研的水平和质量，像国家倡导的那样，努力多做一些‘从0到1’的原创性工作。”

虽然俞书宏大部分时间待在实验室，但他却期待仿生材料能够走出实验室，走向应用场景。“科技成果只有转化成产品，才能变成现实生产力。”俞书宏说，“从微观层面到宏观尺度，我们已经能够设计制备性能卓越的仿生材料。未来，我们有信心将这些低成本、环保型、可持续的生物基材料推向实际应用。”