材料是人类赖以生存和发展的物质基础，在生产、生活和国防军工等领域有着十分广泛的应用。近日，北大新工科国际论坛（2021）在北京举行，大会以“新时代、新挑战、新工科”为主题，包括主论坛和九个分论坛，旨在进一步推动新工科建设，深化全球交流，推动国际合作。 

　　在“新工科背景下的新材料技术革命和产业变革”分论坛上，中国科学院院士、中科大教授俞书宏指出，自己与团队所做的工作就是将材料科学与生命科学相结合，模仿这些生物矿物的生长和形成过程，让仿生材料在化学的实验室和材料的实验室中“生长”出来。未来材料生产过程应该与化工相结合，还要突破很多合成和制备的工艺问题。以下为报告整理。

俞书宏

　　生命的启示：从纳米材料到宏观制备 

　　从人类早期使用的石器、木材、陶瓷、丝绸等材料，到目前使用的高分子、合金、半导体等先进材料，工程材料的发展一直是社会发展的强大推动力。每一个时代都有其对应时代特征的新型材料。进入二十一世纪后，我们非常希望做出一些面向未来的高性能新材料，特别是希望突破一些技术瓶颈，改变我国在关键材料受制于人的局面。 

　　纳米材料具有很多优良的性质，但在纳米组装和纳米材料的应用和功能化方面还有很长的路要走。纳米材料是尺度很小的材料，如何利用这些材料，通过化学和材料的手段来合成出宏观尺度的、肉眼可见的且具有特定功能的器件，这依然是我们面临的挑战。在这个方面可以从大自然中得到很多启示, 大自然用生长的方法创造了无数精妙绝伦的材料结构。 

　　自然界中，从海滩上捡到的结构独特、外观精美的贝壳和珍珠，到人体的骨骼和牙齿，这些生物矿物都伴随着生物体的成长而不断合成，并形成精美的结构。贝壳的主要成分碳酸钙以及骨骼的主要成分羟基磷酸钙都是非常脆的无机材料，但是最终合成的贝壳和骨骼却拥有优秀的力学强度，这都得益于生物体内部的自组装能力。自然界中复杂生物矿物的形成展现了多尺度、多层次的高级组装过程，体现了多重组分对材料性能的调控与协调作用。 

　　因此我们所做的工作就是将材料科学与生命科学相结合，模仿这些生物矿物的生长和形成过程，让仿生材料在化学的实验室和材料的实验室中“生长”出来。除了上面提到的贝壳、骨骼，还有我们窗外的灌木、竹子、水中的硅藻等，这些自然界中的材料都展现出精美的结构，都是仿生材料的灵感来源。 

　　跨尺度的仿生材料合成 

　　我们在实验室里用人工合成的方法，在微观和纳米层次可以把碳酸钙的结构控制得非常好，但是却很难拥有像骨骼、贝壳等生物材料的优越性能。那么在生命体系里面是如何形成骨骼、贝壳的呢？答案就是靠生物大分子。人体体内有蛋白质、氨基酸、多肽、几丁质等有机质，这些生物大分子控制了矿物的形成、结晶和生长过程。我们学习这种过程，从而创建了一种跨尺度的仿生材料设计合成方法，并成功在实验室合成了人工贝壳。 

　　首先观察贝壳的断面结构，我们可以发现它是一种非常规整的层状框架。如果将贝壳中的碳酸钙用酸溶解，剩下的其实是一个有机的层状框架。假设将贝壳比作建筑物墙体的砖泥堆垛结构，那么贝壳内部由生物大分子作为黏合剂形成的层状框架，就类似于将墙体中砖块抽走后，由水泥和黏合剂构成的墙体的框架。碳酸钙在这样的层状框架空间内成长最终形成了贝壳。所以如果能在化学的实验室里用生物大分子构筑这样一个层状结构，然后用它作为框架，诱导碳酸钙在其内部生长，最终就能造出人造贝壳。 

　　接下来面临的问题，是如何来构建这个框架结构。贝壳里除了碳酸钙外还有蚕丝蛋白，它是一种由十几种氨基酸组成的天然高分子纤维蛋白。除此之外，还有一种重要的生物大分子叫几丁质。几丁质可以通过虾壳、蟹壳里面富含的壳聚糖通过化学反应制成，因此我们决定利用几丁质这个高分子来制造层状结构。 

　　为了把高分子做出一个多层的、空旷的结构，我们课题组参考了生活中冻豆腐的形成过程。豆腐的多孔结构是因为在冰箱里冷冻过程中水结晶后，把植物蛋白排挤到冰晶周围，冰融化后就形成了多孔结构。我们在实验室采用了取向冷冻干燥技术，让冰晶形成平行排列的、多层的结构。然后让几丁质等生物大分子夹在冰晶层中，最终将冰升华就形成了一个平行排布的疏松多层结构的框架。让富含钙离子和碳酸根的溶液循环往复地流过这个框架，诱导碳酸钙在层状结构的空间内结晶生长。最后，利用蚕丝蛋白加强层间的连接，并通过压制就能够形成人工合成的贝壳。 

　　可持续材料助力低碳绿色发展 

　　不少传统材料的生产和消耗过程都伴随着二氧化碳排放以及环境污染。以塑料为例，塑料是人类生活中被广泛使用的材料。塑料的制造过程需要消耗大量的化石资源，而且废弃塑料的处理也是很大的问题。 

　　近年来，《科学》和《自然》杂志非常关注微塑料的污染。在全球范围内，不可降解的微塑料在海洋水生栖息地泛滥成灾，严重威胁海洋生物的生存，造成严重的环境危害。塑料经过长时间的变化，会变成很小的、微米甚至纳米尺度的塑料微粒。这些微粒会进入河流、土壤、大气，并通过食物链进入人体，最终威胁人类健康。可见塑料污染与每个人都息息相关，人类必须爱护环境，并寻找面向未来的可持续绿色环保材料。那么今后有没有可能减少塑料的使用？ 

　　面向未来，我们希望研发更多可持续材料，它们将在可持续发展中将起到十分重要的作用。在农业中存在很多废弃的生物质，比如木质素、纤维素。我们知道这些生物质是二氧化碳和水通过光合作用产生的，是源源不断的绿色原材料。 

　　因此课题组想到利用这些农业废弃料，用类似生物质生长的方法来合成一些实用的材料。从生物质里提取的纳米纤维素，对我们来说是非常珍贵的。这些材料可以被食用，又可以被加工成其他材料，甚至能够做出可降解的塑料替代品，帮助人类最终进入后塑料时代。 

　　可持续材料的仿生设计 

　　在可持续材料合成过程中，生物发酵的合成过程非常重要。果冻的形成是生物发酵过程细菌分泌的纤维素。我们在实验室将纳米材料与类似果冻生产的生物发酵过程有效地结合在一起，将纳米材料通过产生气溶胶的方式不断地与生物发酵方法生产的纤维素均匀地复合在一起，从而生长出一些宏观尺度地实用材料。 

　　在我们目前成功合成的材料中，有一种是将碳纳米管很均匀地复合到纤维素的机体里面。这并不是简单的A+B 的物理混合，而是一种类似生物质生长的过程。最后所做出的材料中碳纳米管和纤维素的含量高度均匀，且具有非常优越的韧性、柔性和导电性，从而变成具有实用价值的功能材料。 

　　另外我们还用这些纤维素做成了一些生物质结构板材。结构板材体现出了很好的性质，密度较低，仅为铝合金的一半，钢的六分之一，同时它具有非常好抗弯强度，甚至超越了很多工程塑料和铝合金。 

　　另外，这种材料的抗冲击性能非常突出。我们做了一个实验，用非常强的力来冲击相同厚度相同大小的各种材料。我们研发的材料在受到冲击后整体没破碎，除了受冲击区域外没有明显的形变和裂缝，其他铝合金、陶瓷等都发生了较大区域的损伤。这种材料还有一个特点就是抗热冲击，在极高温和极低温都能保持很好的稳定性。这样一种轻质高强的材料在很多领域可能会有非常好的应用。 

　　可持续材料未来的无限可能 

　　面向未来其他环保型的应用，我们还利用稻草、秸秆做出了一款各项同性的材料。与天然木材的各项异性不同，我们的材料是各项同性的，换言之这种板材每一个方向的力学强度是一样的。 

　　我们希望今后能够解决这一材料量产的问题，将生物质做成零甲醛、零有机污染物、零添加剂的环保型材料，同时具有阻燃、防火、隔热、电磁屏蔽、甚至导电等其他功能。另外还可以把这种技术跟其他黏土、矿物质相结合，可以做出很多拥有不同性质的新材料。 

　　当然，除了做成结构材料还能将生物质做成薄膜。我们解决了一个问题，就是把微米纤维素变成纳米纤维素，从而可以大大降低薄膜的厚度。这些薄膜材料在今后可以做成导电材料有机体，在上面打印电路。柔性电子需要依靠一些制薄膜作为一个载体，才能具有柔性。这种新型薄膜对温度的耐受性强，在极限温度下不会发生形变，是很好的柔性载体，还可以利用它来纺丝、做成纤维等。这种可持续材料以后的应用场景是有无限可能的。 

　　大自然和农业生产中现有的这些大量绿色生物质，如果不能充分利用就太可惜了，通过我们的技术可以将它们做成各种高性能材料。可持续的仿生材料永远“在路上”，材料生产过程应该与化工相结合，还要突破很多合成和制备的工艺问题，尽可能地让这些材料在航空、航天、环保等领域发挥更大地价值。 

　　个人名片 

　　俞书宏，中国科学院院士，中国科技大学化学与材料科学学院教授、副院长，合肥微尺度物质科学国家实验室纳米材料与化学研究部主任。长期从事无机材料的仿生合成与功能化的研究，已在国际重要学术期刊Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology等杂志上发表通讯或第一作者论文500余篇，H因子138。担任国际溶剂热- 水热联合会（ISHA）国际理事会执委、中国化学会常务理事、安徽省化学会理事长、中国化学会无机化学学科委员会副主任、中国化学会纳米化学专业委员会副主任。担任国际期刊Langmuir、Science China Materials 及EnergyChem副主编。担任Accounts of Chemical Research, Chemistry of Materials 等国际期刊顾问编委、执行编委或编委。以第一人完成人两次获得国家自然科学二等奖。