上海交通大學(xué)特聘教授張荻的材料遺態(tài)學(xué)探索之路

文/劉榮 李艷

上海交通大學(xué)特聘教授張荻的材料遺態(tài)學(xué)探索之路

文/劉榮 李艷

隨著社會發(fā)展和生活水平的不斷提高，各行各業(yè)對材料性能的要求也越來越高。材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能單一的傳統(tǒng)材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了社會的需求，追求多組分、多結(jié)構(gòu)、多功能一體化的優(yōu)質(zhì)材料成了材料科學(xué)的發(fā)展方向，同時也給當(dāng)前的材料設(shè)計、合成路線和方法帶來全新的挑戰(zhàn)。同世界各地的材料學(xué)家一樣，上海交通大學(xué)“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授張荻也在不斷探索高新材料設(shè)計和制備的新思路、新方法，從自然界中取材成了他研制新材料的靈感來源。

學(xué)成歸來 碩果滿身

出生于西安的張荻，高中畢業(yè)后插過隊也做過工人。在農(nóng)村和工廠鍛煉的幾年中，張荻深感知識的重要，一邊工作一邊學(xué)習(xí)。1977年高考恢復(fù)，張荻作為改革開放后第一批考生，并考取了西安交通大學(xué)材料科學(xué)系。畢業(yè)那年，成績優(yōu)異的他又獲得了教育部出國讀研究生的機會，踏上了赴日本留學(xué)的旅程。在日本期間，他分獲大阪大學(xué)碩士學(xué)位以及博士學(xué)位。1988年，學(xué)有所成的張荻回到祖國并在上海交通大學(xué)任教，現(xiàn)為上海交通大學(xué)特聘教授，2001年被聘為“長江學(xué)者獎勵計劃”材料學(xué)科的長江學(xué)者，金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室主任。

回國后，張荻一直致力于先進金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)和遺態(tài)材料學(xué)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，在主持和承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家973計劃、國家863計劃、國防項目、政府間國際科技合作項目的同時，張荻還同多所國際知名大學(xué)以及加拿大鋁業(yè)集團、德國拜耳、英國摩根、美國陶氏化學(xué)、日本豐田汽車等一批國際知名公司建立了廣泛的合作研究關(guān)系。

從事材料研究多年，在科研方面，他曾獲得國防科學(xué)技術(shù)進步獎三等獎，分獲上海科技技術(shù)進步一等獎和二等獎，上海市自然科學(xué)獎一等獎，國家級教學(xué)成果二等獎；先后擔(dān)任《復(fù)合材料學(xué)報》副主編，《有色金屬學(xué)報》、《金屬學(xué)報》、《科學(xué)通報》、國際期刊Composites Science and Technology編委。

在教育領(lǐng)域，張荻也同樣成績斐然。經(jīng)他指導(dǎo)的研究生論文1篇獲全國優(yōu)秀博士論文、4篇獲上海市優(yōu)秀博士論文，同時他還指導(dǎo)研究生獲得第五屆中國青少年科技創(chuàng)新獎以及教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎。他本人也曾先后在日本Yuasa中央研究所、大阪大學(xué)超高壓電鏡中心、京都大學(xué)材料系、佐賀大學(xué)電子系、法國特魯瓦技術(shù)大學(xué)、德國Max-Planck金屬研究所作訪問學(xué)者和教授。

“我們不僅希望通過傳承生物精細(xì)結(jié)構(gòu)能與材質(zhì)耦合的效應(yīng)制備出性能大幅提高的新材料，更重要的是開展轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與材質(zhì)耦合效應(yīng)機理等相關(guān)問題的基礎(chǔ)和前沿探索研究?！?/p>

——張荻

遺態(tài)材料 源于自然

大自然是人類賴以生存的基礎(chǔ)和智慧的源泉，也是人類的創(chuàng)造寶庫。在長達億萬年的進化過程中，大自然中的各種生物為了更好地適應(yīng)環(huán)境，在激烈的生存競爭中勝出，進化出了極其豐富的生物分級結(jié)構(gòu)來滿足自身特殊功能的需求。

而材料學(xué)中出現(xiàn)的新概念——材料遺態(tài)學(xué)，正是源于自然界生物的啟迪。據(jù)張荻介紹，材料遺態(tài)學(xué)是指借用自然界經(jīng)億萬年進化的生物自身多層次、多維、多結(jié)構(gòu)的本征結(jié)構(gòu)，通過人工方法，變更其結(jié)構(gòu)組分，制備出既保持自然界生物精細(xì)分級結(jié)構(gòu)，又擁有人為賦予的新功能的新型結(jié)構(gòu)功能一體化材料。

例如，某些光敏感物種對光和陰影的敏感度主要源于它們的臂骨擁有類似于雙棱鏡的設(shè)計特征；海老鼠的每個鬃毛均由六棱狀微纖毛構(gòu)成，這樣沿縱向就產(chǎn)生了一種自然的類光子的晶體纖維結(jié)構(gòu)；而藍色大閃蝶發(fā)出的絢麗藍色光澤，則是由組成其翅膀鱗片的具有不同折射率系數(shù)的甲殼素層和空氣層交替層疊形成的光子結(jié)構(gòu)形成的。

據(jù)張荻介紹，從材料角度來看，這些生物擁有形態(tài)迥異、尺度不一、結(jié)構(gòu)精細(xì)、功能集成等眾多特點，并且多成分、多功能的材質(zhì)和多尺度、多維度的結(jié)構(gòu)耦合的特質(zhì)，無不證明它們是精細(xì)復(fù)雜的材料體；從生物結(jié)構(gòu)上看，它們既是形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然復(fù)合材料，同時也是橫跨微觀尺度和宏觀尺度的有機綜合體，不同的生物結(jié)構(gòu)具有獨特的結(jié)構(gòu)——功能關(guān)系、迥異的機械強度、空氣動力學(xué)、光電磁聲波以及豐富生物傳感行為等功能特性。

“同人工合成的材料相比，自然生物結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一是生物本身經(jīng)過千百萬年來的遺傳進化而優(yōu)化發(fā)展起來的，自然生物結(jié)構(gòu)的高度精細(xì)化、結(jié)構(gòu)與功能組合的微小尺度化、組織的高度分級化，無不體現(xiàn)了自然生物適應(yīng)環(huán)境的獨特結(jié)構(gòu)與獨特功能的匹配與統(tǒng)一?！睆堓墩f，“這種結(jié)構(gòu)和功能的集成化和一體化無疑為先進材料的設(shè)計和制備提供了借鑒意義?！?/p>

“師法自然”，自古以來向大自然學(xué)習(xí)是人類獲取知識、汲取營養(yǎng)的最直接、最根本的方法和手段。然而遺憾的是，一方面，我們?nèi)匀蝗狈Υ笞匀幌到y(tǒng)科學(xué)的研究；另一方面，即使擁有現(xiàn)當(dāng)代最高水準(zhǔn)的科學(xué)技術(shù)和設(shè)備儀器，人類仍然難以效仿出大自然經(jīng)億萬年優(yōu)化而得來的精美細(xì)致的分級結(jié)構(gòu)及其所具有的多功能特性。

為了擺脫傳統(tǒng)材料設(shè)計的缺陷，并且能夠快速、簡潔地設(shè)計出結(jié)構(gòu)與功能一體化的新型材料，金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室遺態(tài)材料研究小組在張荻的帶領(lǐng)下，開展了基于生物精細(xì)結(jié)構(gòu)的遺態(tài)材料研究。張荻希望以自然生物為模板，利用物理化學(xué)方法傳承生物精美、精細(xì)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，同時改變其化學(xué)成分，從而制造出既保留自然界精細(xì)結(jié)構(gòu)，又有人為賦予特征的新材料。

張荻說：“我們不僅希望通過傳承生物精細(xì)結(jié)構(gòu)能與材質(zhì)耦合的效應(yīng)制備出性能大幅提高的新材料，更重要的是開展轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與材質(zhì)耦合效應(yīng)機理等相關(guān)問題的基礎(chǔ)和前沿探索研究?！?/p>

最初，研究小組以植物模板為主，制備出了具有鮮明植物結(jié)構(gòu)特征、獨特顯微組織、組織結(jié)構(gòu)可控、物理和力學(xué)性能可控的有序多孔無機纖維材料——植物纖維生態(tài)陶瓷，并建立了遺態(tài)材料的轉(zhuǎn)換機制。

近年來，在張荻的啟發(fā)和領(lǐng)導(dǎo)下，研究小組將目光從單純的植物材料投向了整個自然界，特別是多尺度分級精細(xì)結(jié)構(gòu)的生物材料，雞蛋膜、蠶絲纖維、細(xì)菌和蝴蝶翅膀等都成為了張荻和其研究小組關(guān)注的對象。

使用各種遺態(tài)材料合成技術(shù)，張荻和研究小組制備了一系列氧化物和硫組化合物半導(dǎo)體復(fù)合材料，經(jīng)過深入研究材料制備過程的作用機制，從而提出了功能遺態(tài)復(fù)合材料的分級結(jié)構(gòu)形式原理。

張荻說：“遺態(tài)材料及其復(fù)合材料是涉及了化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科交叉的研究，同時也囊括了陶瓷、金屬、聚合物領(lǐng)域的一種新的設(shè)計理念和制備方式。通過優(yōu)化的化合物、生物原始結(jié)構(gòu)和可控氣氛的人工耦合作用，控制生物模板材料中的化學(xué)反應(yīng)來合成和復(fù)制生物結(jié)構(gòu)、遺傳其形態(tài)和物理結(jié)構(gòu)，能夠為今后實現(xiàn)設(shè)計和制備多維、多結(jié)構(gòu)、多功能集成化和定向化的新型先進材料提供新的途徑?！?/p>

科研成果 引領(lǐng)未來

張荻率領(lǐng)科研小組在國際范圍內(nèi)率先提出，可利用具有精細(xì)分級結(jié)構(gòu)的蝶翅作為模板來制備染料敏化太陽能電池所用的二氧化鈦光陽極組件。

“自然界的物種經(jīng)過了千百萬年自然選擇的殘酷競爭，已經(jīng)進化出無數(shù)特殊相應(yīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。從這些特殊結(jié)構(gòu)中，我們能夠獲得制備新材料的靈感。”張荻說，“僅以蝴蝶為例，為了滿足求偶和捕食的需要，它們進化出了色彩繽紛的翅膀；出于生存的需要，在一些氣候寒冷的高海拔或高緯度地區(qū)的蝴蝶就將翅膀進化成黑色或者深褐色，這樣它們就能吸收更多的能量，從而使自己的體溫能夠快速升到合適溫度，增加自己的生存幾率?！?/p>

那么，蝴蝶是如何讓自己的翅膀更黑，最大限度吸收太陽光的能量呢？據(jù)張荻介紹，為了最大程度獲得能量，蝴蝶進化出了多種巧妙的機制，某些蝴蝶不僅僅利用化學(xué)方式，即黑色素來獲取能量，甚至還能通過物理方式，即利用一種特別的光學(xué)手段使其身上黑色的部分顏色更深從而獲取更多的能量。

另外，張荻還提到了一種鳳蝶科蝴蝶。據(jù)介紹，這種蝴蝶黑色的翅膀上，有一些具有準(zhǔn)蜂窩結(jié)構(gòu)的細(xì)微鱗片，能夠讓它最大限度的吸收可見光，平均吸收率在96％以上。張荻說：“蜂窩狀鱗片結(jié)構(gòu)具有類似光陷阱的作用，如同光在光纖中的傳播，光進入蝶翅鱗片表面后，在其內(nèi)表面反復(fù)反射吸收，相較于普通鱗片，它擁有更低的反射率和更高的光吸收率?！?/p>

受此啟發(fā)，張荻的研究小組設(shè)計了一種全新的、具有高光捕獲性能的太陽能電池的光陽極構(gòu)件，并且進行了相關(guān)研究和驗證。通過遺態(tài)工藝，以蝶翅鱗片為生物模板，研究小組成功獲取了保留原始蝶翅結(jié)構(gòu)的二氧化鈦材料。

張荻經(jīng)過進一步研究發(fā)現(xiàn)，相對于普通的二氧化鈦薄膜，具有蝶翅結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜可以大幅度提高太陽光的光吸收率，用它來作光陽極，可以大大提高光采集效率，進而有望提高這類太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這項研究巧妙地將自然進化的精細(xì)特種結(jié)構(gòu)與功能材料的設(shè)計、制備一體化結(jié)合在一起，為今后新型的染料敏化太陽能電池提供了全新的設(shè)計思想和實驗依據(jù)。同時，這項研究也被國際眾多科學(xué)網(wǎng)站引用報道，加拿大的“探索”頻道還對此進行了專題報道。

為適應(yīng)國家戰(zhàn)略需求和學(xué)科發(fā)展，張荻研究小組在保持原有結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，拓寬了功能復(fù)合材料的研究與開發(fā)，形成了結(jié)構(gòu)材料與功能材料并重的研究層次，制備出多種具有天然生物結(jié)構(gòu)的生物分級構(gòu)造新材料，在能源、國防、環(huán)境及光電功能等材料領(lǐng)域中開展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

目前，張荻的研究小組在遺態(tài)材料及其復(fù)合材料的研究領(lǐng)域已取得了可喜成果，已申請和獲得國家發(fā)明專利18項，在眾多高影響力的國際期刊發(fā)表論文70余篇，撰寫英文專著《啟迪于自然的遺態(tài)材料》，為國際會議和學(xué)術(shù)交流會作學(xué)術(shù)和特邀報告10余次，先后6次入選國際期刊封面文章，9次入選國際期刊熱門文章，6次入選國際期刊研究亮點。

遺態(tài)材料及其復(fù)合材料的研究突破了傳統(tǒng)材料設(shè)計和合成制備科學(xué)的常規(guī)理念，為未來新材料和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了前瞻性的思路，同時也為未來設(shè)計和制造具有獨特結(jié)構(gòu)、獨特功能特性的新材料和新結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)和制造原型。