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st股票涨跌幅度: 神奇仿生材料改變未來

2020年05月19日 10:11:04 來源: 安徽日報

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5月9日,俞書宏院士指導學生進行新材料研發。徐旻昊 攝

????材料是人類文明的基礎和支柱。歷史學家曾用材料來劃分人類進化史上不同的時代,石器時代、陶器時代、銅器時代、鐵器時代等因而得名。材料科學的發展見證著人類社會的進步。近年來,一批功能新穎而強大的仿生材料從中國科學技術大學俞書宏院士團隊實驗室里誕生。大到航空航天、小到尋常生活,都有望因此而改變。

????研制更輕更堅韌的天然纖維素塊材

????研制綜合性能全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統結構材料的新型輕質高強韌材料,對航空航天等相關領域具有重要的戰略意義,對優化百姓生活也有著畫龍點睛的妙用。

????近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊發展了一種新型納米纖維素仿生結構材料的制造方法,成功研制出一類天然納米纖維素高性能仿生結構材料。該材料具有優異的綜合性能,密度僅為鋼的六分之一,而比強度、比韌性均超過傳統合金材料、陶瓷和工程塑料,這種新型全生物質仿生結構材料有望替代現有的工程塑料,在航空、航天、軍事、國防、民生等領域具有廣泛的應用前景。

????在俞書宏團隊實驗室,記者見到了制造這種新型材料的基礎材料——一種白色果凍狀半凝固體?!八饕搶錳烊幌宋刂瞥?,別看它相貌平平,卻可以衍生制造出一系列致密又透氣的材料產品。比如,可以制作醫用口罩的過濾層,有望用來替代緊缺的熔噴布;可以制造輕巧耐用美觀又防火的家具;可以制成飛行器部件、環保涂料、包裝袋等等?!庇崾楹杲檣芩?。因為在自然界中有大量可利用纖維素存在于灌木、秸稈等生物質中,因此原料成本更低,甚至可以變廢為寶,一舉兩得。

????“之所以說它是仿生材料,因為是受自然界的啟發?!庇崾楹晁?,該材料的輕質高強韌主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構設計,纖維素納米纖維內部高度結晶可以提供極高的強度,纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網絡進行結合,在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構,吸收大量能量,使材料在具有高強度的同時實現高韌性,克服了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題??梢栽ぜ?,它將在輕量化抗沖擊防護及緩沖材料、空間材料、精密儀器結構件等領域具有廣闊的應用前景。

????將自然啟示投射于實驗室

????多年來,俞書宏在科研上得到的啟示,很多都來自于大自然。

????“基于自然啟發,自2002年回國以來,我便開始從事仿生材料領域的研究工作。從早些年無機納米材料的仿生合成,到近年來對宏觀尺度納米復合結構材料的仿生制備及應用,進行了較系統的探索研究?!庇崾楹晁?。目前,他帶領課題組已在仿生材料方面取得系列進展,包括開發了系列無機納米材料的仿生合成、自組裝技術及模擬生物礦化方法,并基于這些技術方法成功仿生合成了多種神奇的宏觀尺度輕質高強新材料。例如,與天然珍珠母高度類似的人工合成珍珠母,受北極熊毛發中空結構啟發的新型輕質、保溫、隔熱碳材料,防火、隔熱、耐腐蝕的仿生聚合物木材等等。

????“珍珠母是貝殼中的內層材料,與珍珠具有相似的組成和結構,通常含有95%以上的碳酸鈣。但這種碳酸鈣并不是傳統意義上的粉末,它形成了一種特殊的結構?!庇崾楹晁?。貝殼是一種很好的層狀結構,就像宏觀上常見的磚泥堆砌的墻和階梯教室一樣,一層一層堆積而成,這種砌墻式的磚泥結構強度、韌性非常好。俞書宏團隊參照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”法,從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學組分,在世界上首次成功礦化合成了人工珍珠母。這種仿珍珠母材料的化學組分、結構,與天然珍珠母相似,力學性能相當,密度更低,具有優越的抗斷裂性能。

????多領域合作讓“1+1>2”

????值得注意的是,大規模的宏量制備和小規模的實驗室制備是完全不同的物理和化學過程。因此,如何保證宏量制備納米材料的組分與形貌的一致性和穩定性,其中也涉及大量的基礎科學問題,需要研究者對納米材料合成的條件、機理與過程有深入和細致的了解。

????最近,俞書宏帶領課題組團隊實現了纖維素納米纖維的宏量制備,相比于高成本、過程復雜、耗時超過3天的傳統制備方法,他們研發的方法可以在半小時內實現纖維素納米纖維的快速宏量制備,且具有更好的形貌和性能。

????神奇的材料背后一定都有相應的科學原理。從宏觀獲取啟示,再到微觀實驗,最后回歸宏觀應用,一直是俞書宏團隊在做的工作。俞書宏表示,就具體材料而言,在材料領域沒有最好只有更好,所以要隨著科技和人們生活水平的進步與提升,不斷研發更好更實用的優異材料,“比如大家熟悉的碳酸鈣,早在200年前就被用來制造水泥。而如今,碳酸鈣不僅可以制造水泥,還可以制備其他新型復合新材料,已在航空、航天、軍事、國防、民生等領域大展身手?!?/p>

????當前,我國在很多高技術領域被國外“卡脖子”,其實很重要的一個方面就是關鍵材料被“卡脖子”?!拔頤且艚裘樽即?到1的原始創新,為自己定下一個更高的目標,多解決材料方面的‘卡脖子’問題,為國家發展多做貢獻?!庇崾楹晁?。近年來,他和團隊一直把實現仿生材料系列化,提升傳統材料性能作為科研目標。

????“希望年輕人在確定自己科研方向時,多結合國情,多思考國家戰略和老百姓日常生活中的需求,用自己所學回報社會?!庇崾楹晁?。他不斷鼓勵學生應重視合作,特別是與其他領域研究者的合作,因為科研合作經?;崛〉謾?+1遠大于2”的成果效果。(記者 陳婉婉)

[責任編輯: 周雨濛 ]
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