中国材料领域的魔术师——俞书宏院士


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  俞书宏院士长期从事无机合成化学研究,在他的努力下,一批新颖且功能强大的仿生材料从实验室里诞生,他也因此被誉为“材料魔术师”。

中国粉体网讯  俞书宏院士,1967年8月生,合肥庐江人,中国科学技术大学化学系教授,博士生导师,2019年当选中国科学院院士。俞书宏院士长期从事无机合成化学研究,在他的努力下,一批新颖且功能强大的仿生材料从实验室里诞生,他也因此被誉为“材料魔术师”。




大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


博士毕业后,俞书宏院士先后在日本、德国从事博士后研究,开始接触功能材料和生物仿生材料。一种极其普通的矿物质引起了他的注意——石灰石


“人体骨骼、牙齿的主要成分是羟基磷灰石,是一种普通的磷酸钙,但是为什么所有的高等动物都选择用它来支撑重量?”


带着这个疑问,2002年回国建组后,俞书宏院士选择研究主要成分为碳酸钙的贝壳珍珠层——珍珠母。珍珠母具有高度有序的“砖—泥”微观结构,由于力学性能极好,成为仿生研究中的明星材料,但尚无实验室能合成出宏观尺度的块状材料。


俞书宏院士给课题组出了一道题:如何做出和海滩上的贝壳差不多的珍珠母块材?这一试就是15年。


2016年,俞书宏院士课题组在《科学》杂志发文,报道一种全新的仿生策略,在实验室7~10天可制备出宏观尺度珍珠层结构块状材料,其化学组成和多级有序结构与天然珍珠层高度相似,力学性能也可相提并论。国际学术界评价认为,这是人工首次合成真正珍珠母。


“最终目的是用到人体组织工程中,成为可替换骨骼和牙齿的生物材料。”俞书宏说,为了这个目标,他正在同相关课题组合作。


2002年以来,树脂基仿生人工木材、类似北极熊毛发的隔热材料、石墨烯吸油海绵……俞书宏院士课题组向大自然学习,几乎每年都会报道几种让人耳目一新的材料。


在俞书宏院士眼中,大自然就像是一个奇妙的“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。研究这些生物材料的结构和性能,能为人们在微尺度上的仿生材料设计开辟新的途径。


2020年5月,俞书宏院士被授予全国创新争先奖章。这是仅次于国家最高科技奖的科技人才大奖。沉甸甸的奖章,展现了俞书宏在无机仿生材料领域的卓越成就。


瞄准原始创新,解锁“卡脖子”问题


在俞书宏院士看来,材料对于人类的发展影响巨大,人类文明的进展可以按照材料来划分,比如石器时代、青铜器时代、铁器时代、硅器时代等,一种革命性的新材料可以颠覆一种产业,甚至改变整个世界。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,为国家的发展多作贡献。”俞书宏院士说,中国科学家完全有能力、有信心做更好的创新。


对于青年科研工作者,他提出了殷切期望:“从事科研工作的年轻人应该志存高远,坐得了‘冷板凳’,专注一个方向,坚持做从‘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;其次,要积极与同事及其他领域的研究者开展合作,不要故步自封,科研上的交流合作常常会产生‘1+1远大于2’的效果。”



图为俞书宏院士(左三)指导学生进行新材料研发

来源:安徽日报 徐旻昊 摄


为了鼓励更多的青年科技工作者奋进,他自己为全体实验室人员设计了一款队服。这是一件看起来很普通的黑色T恤,但后背上却“别有用心”地印着“1.01365=37.8”和“0.99365=0.03”两行数学算式。“算式上列出了1.01的365次方等于37.8;0.99的365次方等于0.03。意思就是提醒我们,每天多努力一点和少努力一点,一年365天累积下来的结果差距是巨大的。”俞书宏院士实验室成员、中国科大副研究员高怀岭说,“俞老师常跟我们说的是,成绩是下一步的起点,科学研究永远在路上。”正是长年鼓着这样一股拼搏精神,俞书宏及其团队才不断突破自我,屡有建树。


深耕:在仿生材料领域不断取得新突破


从事无机材料研究20余年来,俞书宏院士不断地观察自然,获取仿生合成的灵感;又不断解密自然,追溯新型材料组装原理。俞书宏院士的主要研究方向:


仿生高性能纳米复合结构材料、自组装及应用;

聚合物控制晶化与模拟生物矿化;

多功能纳米材料的模板诱导合成和组装技术;

新型无机-有机杂化材料的制备、性能与组装体功能;

面向能源、环境领域应用的新型碳材料的制备和能量存储;

纳米材料的光、电、磁性能调控(光电和光热转换、光催化等)和纳米催化效应等。 


近年来,俞书宏院士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。例如与天然珍珠母高度类似的人工合成珍珠母;受北极熊毛发中空结构启发,研制的新型轻质、保温、隔热碳材料;防火、隔热、耐腐蚀的仿生聚合物木材等。


2021年俞书宏院士及其团队的部分成果报道


中科大俞书宏院士《AM》:受珍珠层启发,双层聚酰亚胺-云母纳米复合薄膜,航空航天防护新材料!

《NanoLett》中科院俞书宏院士:高密度/可逆相互作用网络的植物纤维素纳米纤维衍生结构材料

《AM》中科大俞书宏院士:高度可压/拉的碳弹簧用于智能振动和磁性传感器

王佐林/高怀岭/俞书宏院士:仿生壳聚糖支架用于软牙龈组织再生

《自然·通讯》中科大俞书宏院士:多响应可修复水凝胶超级电容器

中国科学技术大学俞书宏和深圳大学何传新课题组--受葱启发的石墨烯支架使高倍率锂金属电池成为可能

中科大俞书宏院士团队JACS|三维有序通道微化学工程增强电催化

中科大俞书宏院士团队综述:一文了解纤维素纳米纤维水凝胶

中科大俞书宏团队NanoLetters:电磁屏蔽性能优异的轻质材料!

NanoRes.│中科大俞书宏课题组:碳化海绵,用于快速清理高粘度溢油

重庆大学罗忠教授、中科大俞书宏院士合作《AFM》:基于碳酸钙材料的生物可吸收支架用于术后组织修复


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,俞书宏院士进行了系统性探索研究。而不断促进成果转化、投入应用生产,是俞书宏院士追求的方向。他说:“科技最终是要为人服务。成果得到认可,是科学家最开心的事。”俞书宏院士一直在争分夺秒,用有“含金量”的东西来回报国家和社会。


参考资料:

中国科大新闻中心.俞书宏:会变戏法的材料“魔术师”

安徽网.中科院院士俞书宏:巧夺天工的仿生大师

中国科学报.俞书宏院士:高质高产的“秘诀”是什么

安徽日报.榜样|俞书宏:用仿生材料叩开新世界

新华网、中国科学技术大学、高分子科学前沿等


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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作者:黑金

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