从可持续能源到生物医学，先进材料的应用得益于推动大学院系间深度合作的学术生态系统。
“各自为政”的传统学科，让研究者在日益专门的知识领域里获取深入知识，却也可能使他们在越来越窄的方向钻研越来越深。而让来自不同领域的科学家结合技能和专业知识，能够更好地解决那些单一领域难以应对的现实问题。
现代研究机构愈发注重推动跨学科协作，打破传统思维局限，催生全新的科学范式。这一理念正是浙江大学基础交叉研究院（FuTRe）设立的核心初衷。该研究院于2024年在中国杭州正式成立。
材料科学是FuTRe聚焦的一个重要领域，汇聚了浙江大学现有多个院系和学科的顶尖人才，并组建跨学科团队，专注于任务导向、需求驱动的研究，进行自由探索性的科学研究。
FuTRe以浙江大学在材料学跨学科研究方面的强大基础为依托，其研究成果已涵盖从下一代太阳能电池到创新型抗病毒疫苗等多个领域。
来源：浙江大学基础交叉研究院（筹）
浙江大学的唐睿康团队展示了一种有机-无机杂化分子的模型，这种分子可合成出“弹性陶瓷塑料”材料，具有广泛的应用前景。
重新定义材料科学
FuTRe常务副院长、化学家唐睿康表示，材料科学因其跨学科的本质而特别受益于不同领域研究者之间的合作。
唐睿康介绍：“材料研究横跨传统学科领域，包括来自物理学的理论研究、化学中的制备方法，以及加工和制造技术。”
创新材料的设计通常面向生物学、医学、能源和工程领域的应用，这进一步将更多研究领域纳入其中。“材料是连接不同学科的重要桥梁。”唐睿康补充道。
唐睿康团队的研究生动诠释了跨学科方法的力量。他将有机化学的概念引入无机化学和生物化学领域，创造出了具有前所未有特性的材料。
传统塑料由有机聚合物构成，而唐睿康开创了一种利用无机物进行塑料加工的技术1。他借鉴有机化学中的分子组装概念并应用于无机化学领域，研发出兼具陶瓷硬度、橡胶弹性及塑料可加工性的有机-无机杂化材料2。
“我们构建了一条创新的化学-材料-生物医学研究链，通过全新的化学概念合成新材料。”唐睿康解释道。例如，他展示了如何利用无机分子和材料帮助修复受损的牙釉质和断裂的骨骼。
仿生材料的无限可能
材料与生物学的交界将成为FuTRe研究项目的重点之一。与人体相容的材料对于可穿戴和植入式医疗设备至关重要，例如心脏起搏器、人工关节和人工耳蜗等。
为了提升设备性能并开发更优质的新一代植入物，大自然往往能提供灵感。FuTRe教授欧阳宏伟说：“人体就是由大量复杂精细的生物分子材料构成的。”
欧阳宏伟的研究集中在材料科学与生物学的交叉点，据他介绍：“通过精准分析人体物质的组成，我们构建了用于组织修复与再生的仿生高性能生物材料。”
欧阳教授的研究团队近期有一项研究采用丝素蛋白、胶原蛋白和透明质酸等生物分子，并对其进行改性，创造出一种柔性材料水凝胶。他们研发的水凝胶粘合剂可通过紫外光照固化，可以快速闭合高压动脉及心壁的创口3。
唐睿康团队也开发出一种能够捕获活寨卡病毒的水凝胶，开创了实验性疫苗的新方向4。这类材料通过将活病毒直接转化为疫苗，为新发传染病的疫苗研发提供了巨大的潜力。
能源材料
将理论和开创性的构想转化为实际应用，是跨学科研究理念的核心。在FuTRe的核心使命中，既有改善人类健康，也有满足可再生能源紧迫需求的希冀，比如开发前途光明的解决方案之一——太阳能电池。
过去30年间，杨德仁一直专注于研发可应用于光伏的半导体材料。这些材料目前处于不同的开发阶段：例如，硅材料是当前的主流商用产品，而钙钛矿作为一种颇具潜力的新技术，正在实验室中不断优化其效率和稳定性。
材料是连接不同学科的重要桥梁
杨德仁指出，随着硅基太阳能技术已经趋于成熟，性能提升的空间已经非常有限。
他解释说，“硅太阳能电池的效率已趋近理论极限，因此必须寻找新一代材料。钙钛矿凭借其高理论效率以及简单且低成本的制造工艺，已成为下一代光伏电池的主要候选材料。”
杨德仁近期的研究通过聚焦钙钛矿太阳能电池结构的特定环节，帮助提升了其性能。例如，他的团队近期展示了一种稳健的高性能分子电接触技术，这一技术能够显著提升钙钛矿太阳能电池的效率和耐久性5。
来源：浙江大学基础交叉研究院（筹）
研究人员正在测试钙钛矿太阳能电池的性能（左）。浙江大学唐睿康团队研发的弹性陶瓷塑料样品（右）。
杨德仁说：“我们致力于与物理学、化学及光电子学领域的学者深入合作，共同解决钙钛矿半导体材料在稳定性及光伏应用方面的挑战。这种协作将有助于太阳能电池研发之外的难题，如硅同位素材料在量子技术中的制备与应用等。”
打破学科壁垒
唐睿康、欧阳宏伟和杨德仁一致认为，跨学科研究对于推动材料科学的创新至关重要。FuTRe的愿景正是克服跨学科协作的诸多阻碍。
比方说，“学院”之间的界限由来已久，多数时候已深深嵌入大学的结构之中，因而难以打破。这种界限也意味着学生通常仅接受特定学科领域的指导。
唐睿康说：“浙江大学基础交叉研究院的设立，旨在打破这些壁垒，将不同学科的思想与知识有机融合。通过改革跨学科研究组织模式，我们将探索一种跨越学科界限的研究体系，汇聚优秀师资力量，培养顶尖人才，产出卓越研究成果。”
参考文献
1. Liu, Z., et al. Nature 574, 394 (2019)
2. Fang, W., et al. Nature 619, 293 (2023)
3. Hong, Y., et al. Nat. Commun 10, 2060 (2019)
4. Hao, H., et al. Nat. Biomed. Eng 7, 928 (2023)
5. Zhao, K., et al. Nature 632, 301 (2024)
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