NSR专访俞书宏院士：我的仿生材料研究，从兴趣驱动到服务社会

2016年8月，中国科学技术大学俞书宏课题组在Science发表文章，报道了人类首次通过模拟天然珍珠母生长过程而获得的人工珍珠母材料，这种材料具有与天然珍珠母高度相似的化学组分和微观结构，并因此兼具强度及韧性。在过去二十多年中，俞书宏课题组专注于“仿生材料”领域，除了贝壳与珍珠，他们的模拟对象还包括骨骼、鱼皮、竹节、木材、莲藕丝等等。他们合成的仿生材料具有优异的力学性能，在多个领域有良好应用前景。

在这篇NSR专访中，俞书宏院士介绍了许多有趣的工作。他也表示，他的研究工作最初是由兴趣和好奇心驱动的，但近年来，也希望能担负起作为科研工作者的社会责任，让科研成果造福社会与国家。

俞书宏院士（中）与团队成员

NSR：在材料学发展史上，有哪些仿生材料获得应用的著名案例？

俞书宏：仿生材料学是一门基础学科研究方向，一直受到科学界的关注，近年来又有新的兴起和发展。仿生材料的应用很多，比如当前多数飞行器都模仿了飞鸟的整体结构，以增强平衡和减少气流阻力；游泳运动员的泳衣也从鲨鱼皮中汲取灵感，进行了减阻设计，助力他们取得更好的成绩。

我们研究组研发的全生物质轻质高强仿生结构材料也具有很好的应用前景，相信在不久的将来有望替代基于化石资源的塑料制品，加速人类进入后塑料时代的步伐。

NSR：您所说的“全生物质轻质高强仿生结构材料”是一类怎样的材料？

NSR：您是如何进入仿生材料研究领域的？

俞书宏：我早年从事纳米材料的化学液相合成研究，在德国马普胶体与界面研究所从事洪堡研究时，开展生物矿化研究。生物矿化是一种自然现象，也是一个古老的研究领域。自然界中，贝壳、珍珠，以及动物体内骨骼、牙齿的形成，都是生物矿化的过程。这些过程往往需要生物大分子的参与，从而使原本是粉末状的碳酸钙、羟基磷酸钙等无机成分组装成有序的微观结构，并形成宏观上具有优异性能的生物材料。

2002年回国独立建组后，我继续围绕矿物物相和结构的精细调控开展研究。那时候大家做的都是纳米粉体，这些粉体可以作为涂层材料或者添加剂来改善材料的性能。但是它们不仅产量很少，而且其精美结构也必须用电子显微镜才能看到。所以我一直在思考如何才能把我们的材料从纳米粉体变成像贝壳、珊瑚、骨骼那样的宏观块体材料。

2010年我们申请并获批了一个关于轻质高强韧仿生复合材料方面的国家重大科学研究计划项目，以此为契机，我们课题组开始探索模仿生物材料的结构以及它们生长的方式的探索研究，尝试如何实现在完全人工的环境中制备和生长新型仿生材料。

NSR：在2016年Science文章之后，您关于贝壳的研究又有哪些进展？

俞书宏：2016年，我的团队首次在实验室合成了人工珍珠母。天然的贝壳珍珠母是一种层状的砖泥结构，就像用水泥和砖块砌墙一样，分泌出来的生物大分子形成一层“水泥网格”，碳酸钙在里面生长成“砖块”，这样一层一层的进行堆垛。我们模拟这种结构，人工生长出了类似结构的人工珍珠母材料。

但是和天然珍珠母相比，它在性能上和结构上仍然存在较大的差距，我的团队这些年一直在思考，我们能否进一步提升和改善层状仿生材料的力学性能。随着对贝壳增韧机制的认识，2022年，我们通过在人工珍珠母的矿化生长过程中加入氧化铁纳米颗粒，成功在珍珠母的层状结构中引入残余应力，极大地增大了材料的强度，显著提升了仿贝壳陶瓷的韧性。

在珍珠母的研究过程中，我们还关注到连接贝壳两壳的铰链部位，这个部位虽然也是由碳酸钙矿物和有机基质组成的，但和贝壳这种刚性硬质的矿物不同，铰链中的矿物能够发生形变，并且在贝壳反复的开合中不发生疲劳失效。我觉得对这个部位的研究应该能带给我们新的启发。通过10多年的研究，我们终于成功解析了这个部位的精细结构，发现了一种可发生形变的生物陶瓷，研究了其抗疲劳及发生形变的机制，今后可用以指导抗疲劳新材料的设计及制备。2023年，我们对铰链生物陶瓷的解析工作发表在Science上，也算是一个阶段性的进展。

(a) 俞书宏团队合成的人工珍珠母材料；(b) 天然贝壳中，连接贝壳两壳的铰链部位。

NSR：除贝壳外，您模仿过的生物材料还有哪些？您是如何选择模仿的对象的？

俞书宏：我们研究组从2002年开始确立仿生材料研究方向。其中贝壳是我们组长期坚持研究的生物材料之一。此外，从2017年起，我们还开始对自然界中广泛存在的生物布利冈结构进行解析与仿生研究。布利冈结构最初是在亚马逊河流域的巨骨舌鱼的鱼鳞中被关注到的，它是由一层一层的纳米纤维粘结在一起形成的，其中每一层中的纤维朝一个方向排列成膜，而相邻两层的纤维排列方向之间有一个3到5度的角度，这样一层一层螺旋堆叠起来的。类似的结构在龙虾腹膜、骨骼等生物材料中广泛存在。我们模仿这种结构，努力将它的力学性能，包括强度、韧性、模量等都模拟出来，揭示了竹节等纤维基布利冈结构的基本原理，构筑了系列仿生螺旋布利冈结构微纳复合材料。

关于生物材料对象的选择，我们当前主要关注生物材料的力学性能，选择具有优越力学性能的生物材料作为我们的研究对象，发现并解析生物材料的结构-功能关系，进而提炼出可以运用到仿生材料设计的原理和依据，模仿自然界中具有突出力学性能（强度、韧性、模量、硬度、抗疲劳等）的生物组织。这些新型仿生结构材料在诸多国家战略性领域内占据重要基础地位。

NSR：您团队合成的仿生材料中，有哪些是已经或者即将获得实际应用的？

NSR：目前大部分仿生材料所模仿的似乎都是天然材料的复合结构和力学性能。未来我们对天然材料的模仿还会拓展到更多方向吗？

俞书宏：是的，未来对天然材料的仿生研究一定会拓展到更多方向。首先，我们可以模仿更广泛的生物特性，包括生物的化学特性、光学特性、电学特性等，比如通过模仿天然生物合成无机组分或小分子有机物的过程，来实现更加精细的有机无机杂化材料的设计和制备。

同时也可以通过仿生设计来实现更多的功能性。例如，通过模仿鲨鱼皮肤的微观结构，开发出防污涂料或者减阻材料；仿照蝴蝶翅膀的结构，设计出具有特殊光学效果的材料；利用仿贝壳结构来设计出具有独特的电学、热学等性能的复合材料。

总的来说，未来对天然材料的仿生将会更加多样化，也孕育着很多创新的机遇，为我们解决各种工程和科学挑战提供更多选择和可能性。

NSR：在仿生材料研究和合成的过程中，您认为最困难、最需要创造力的步骤是什么？

俞书宏：仿生材料研究的创新源泉在于对自然界中十分奇特、令人惊叹的生物材料的认识理解。我认为最困难、最需要创造力的步骤在于系统开展生物结构材料解析的研究，利用现代最先进的表征手段和技术，通过跨学科交叉手段，精准提炼生物结构设计原理，进而指导仿生材料研究实践。

此外，兴趣是最好的老师，培养学生对大自然的好奇之心十分重要。科学家自己要有自信心和判断力，认准目标坚持不懈地攻关，终将累积经验、取得成功。

NSR：仿生材料领域正面临的挑战与机遇有哪些？

俞书宏：挑战主要来源于两个方面。一个是设计问题，我们对天然生物材料的了解仍然只是很多零散个例，尚缺乏系统性的归纳，还没有形成一个仿生设计的原理库。另一个是宏量制备方面的瓶颈问题，现在虽然在实验室里做了很多种仿生材料，但要想真正把仿生材料用起来，还要解决放大生产的问题，这里面有很多问题要解决，比如材料放大以后性能也随着下降了，以及材料如何加工成型等等。

NSR：在新的时代背景下，您对自己的研究和职业规划有什么变化？

俞书宏：过去很长一段时间里，我的研究工作都主要是由兴趣和好奇心驱动的。但近些年来，我更注重作为一名科研工作者需要承担的社会责任，经常思考什么样的科研是社会和国家最需要的。我们实验室目前许多科研项目都是面向实际应用的，希望能实现基础研究成果的产业化，真正服务于经济和社会发展需求，而不是仅仅停留在实验室里。因此在未来，我们会以重要实际应用为导向去设定我们的研究方向，去创制能够真正解决实际问题的新材料。

NSR：未来5年，您对自己的研究有什么计划和期望？

俞书宏：未来五年，在“双碳”的大背景下，我还是要继续致力于仿生可持续材料的设计和研发，这些材料将在可持续发展中起到十分重要的作用。我国拥有大量的生物质原料，它们都是通过光合作用产生的，是源源不断的绿色原材料。基于这些可再生生物质原料创制后塑料时代新材料，是解决塑料污染的关键途径。我们会继续基于这些生物质基原料来构筑更多高性能的仿生可持续材料，加速人类进入后塑料时代的步伐。