俞書宏院士（中）與年輕科研人員合影。李曉萌/攝

河蚌是一種常見的淡水蚌類，濾食時，兩片外殼會重復(fù)開合運(yùn)動。兩片外殼連接部位為鉸鏈，其承受反復(fù)運(yùn)動和變形的過程進(jìn)入了我國科學(xué)家的研究視線。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)從中受到啟發(fā)，他們聯(lián)合同校的吳恒安教授團(tuán)隊(duì)，揭示雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內(nèi)的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機(jī)制，提出了一種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成分固有特性相結(jié)合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結(jié)構(gòu)材料的合理設(shè)計(jì)和制備提供了新的見解。成果于前不久發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。

一位審稿專家高度評價該工作，稱“這無疑激發(fā)了對生物復(fù)合材料的進(jìn)一步研究，以設(shè)計(jì)耐疲勞性能增強(qiáng)的新材料”。

從最初發(fā)現(xiàn)到最終論文發(fā)表，這項(xiàng)研究已經(jīng)走過10年，背后離不開一群青年科研人的探索和付出。

研究起始于俞書宏院士2013年的科研探索，團(tuán)隊(duì)注意到河蚌外殼珍珠層和鉸鏈部位微觀結(jié)構(gòu)的差異。2015年，茅瓅波副研究員從他的師兄劉蕾那里接過這項(xiàng)工作，繼續(xù)開展河蚌鉸鏈的解析，但一直沒有達(dá)到俞書宏院士期望的科研完成度。2017年，茅瓅波博士畢業(yè)后，和同年入學(xué)的師弟孟祥森開始合作繼續(xù)推進(jìn)這一研究工作，沒想到，這一做又是6年。

值得一提的是，2016年，俞書宏院士及其團(tuán)隊(duì)提出一種新的“組裝與礦化”聯(lián)用的介觀組裝合成方法，從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學(xué)組分，并在國際上首次成功礦化合成人工珍珠母材料。

他們還發(fā)現(xiàn)，相比于天然珍珠母長達(dá)數(shù)月的形成周期，人工珍珠母合成只需要兩周左右的時間，相關(guān)研究成果當(dāng)年發(fā)表在《科學(xué)》上。俞書宏說，通過對生物材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)致觀察和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)多級有序結(jié)構(gòu)對材料宏觀性能的提升能起到至關(guān)重要的作用。

這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)?！拔覀円蜃匀粚W(xué)習(xí)，河蚌為新材料的研制提供源源不斷的靈感?！庇釙暝菏砍Ｓ谩坝兴l(fā)現(xiàn)”“有所發(fā)明”“有所創(chuàng)造”這3個詞總結(jié)他領(lǐng)銜的仿生材料研究團(tuán)隊(duì)的期待和目標(biāo)。

他認(rèn)為，要學(xué)會發(fā)現(xiàn)自然界神奇的生物材料的特殊性質(zhì)，再通過解析自然材料，特別是生命體所創(chuàng)造的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物材料，弄清楚材料組成、結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，指導(dǎo)科學(xué)家在仿生領(lǐng)域開展更多的探索研究。

“人工材料難在制備，自然材料難在解析。”茅瓅波說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們組成未知，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從宏觀尺度直達(dá)分子尺度。想要把如此復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)以及性能之間的聯(lián)系說清楚，十分具有挑戰(zhàn)性?！?/span>

他舉例介紹，河蚌鉸鏈部位包含折扇形礦物區(qū)域，外殼在開合過程中，鉸鏈整體會發(fā)生較大的變形，而脆性的碳酸鈣并不能承受大變形。這背后的神奇原理引起團(tuán)隊(duì)注意。

團(tuán)隊(duì)回憶，10年前的測試儀器很難實(shí)現(xiàn)對材料精細(xì)結(jié)構(gòu)表征的要求。近年來，得益于國家和學(xué)校在硬件方面加大投入，研究團(tuán)隊(duì)也有更好的平臺、條件去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

例如，在研究鉸鏈微觀結(jié)構(gòu)過程中，需要研究人員分析材料各個微區(qū)的晶體學(xué)取向，得用X射線單晶衍射儀連續(xù)做幾百次測試。為此，生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心負(fù)責(zé)單晶衍射儀的朱中良老師不僅陪著團(tuán)隊(duì)成員熬夜測試，還主持搭建了一個自動測試平臺，極大減輕了實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)。

在仿生材料研究領(lǐng)域，除了掌握化學(xué)材料相關(guān)知識，也需要對生物學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)方面的知識有所掌握。這也是研究的難點(diǎn)之一，要求研究人員具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉能力。

俞書宏院士說：“天然材料，特別是生物材料，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在研究的時候需要我們具有跨學(xué)科的知識儲備。”俞書宏經(jīng)常指導(dǎo)剛進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，鼓勵同學(xué)們在仿生材料領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)自己感興趣的方向并開展研究工作。

中青報·中青網(wǎng)記者了解到，該成果聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的碩博研究生平均年齡不到31歲。在俞書宏院士看來，長達(dá)近10年的研究工作，離不開青年科研人員對基礎(chǔ)科學(xué)長期研究的堅(jiān)守和信心，這也與他一貫提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做從0到1的科研”理念高度一致。他說：“正是大伙對科研方向的遠(yuǎn)見、傳承和堅(jiān)持，最終才能夠取得又一突破性的成果?！?/span>

近年來，隨著小型智能化的可穿戴電子設(shè)備技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢，折疊屏、折疊手機(jī)逐漸進(jìn)入日常生活。但是，要想真正實(shí)現(xiàn)可靠的“柔性”性能，目前還存在亟須解決的問題。

95后博士生孟祥森舉例，研究中從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，對于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創(chuàng)制具有普遍指導(dǎo)意義。

俞書宏認(rèn)為，仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設(shè)計(jì)理念，能創(chuàng)制出新的具有更優(yōu)越性能的新材料，在航空航天、特種環(huán)境、防護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特的功能和應(yīng)用價值，這也是團(tuán)隊(duì)未來努力的重要方向。

讓團(tuán)隊(duì)欣喜的是，他們目前已與中國科學(xué)院海洋研究所聯(lián)系，以獲得更多“稀奇古怪”的生物樣品。俞書宏說：“大自然就像奇妙的‘合成工廠’。未來，我們希望將這些低成本、環(huán)保型、可持續(xù)的生物基礎(chǔ)材料推向?qū)嶋H應(yīng)用，我們也有信心創(chuàng)制一系列仿生新材料，把傳統(tǒng)材料的性能提升至更高水平?！?/span>

來源：中國青年報