俞书宏:科研灵感取之自然 创新成果造福人类

来源:全民科学素质工作动态 时间:2020/07/11

  他是国际纳米科技领域的领军科学家之一,他是从大自然找到科研灵感的科学家,他是第二届全国创新争先奖章获得者。

  俞书宏 1967年8月生,合肥庐江人。中国科学技术大学化学与材料科学学院教授、合肥微尺度物质科学国家研究中心纳米材料与化学研究部主任、安徽省化学学会理事长。2002年入选中国科学院引进国外杰出人才计划,回中国科学技术大学任教,2003年获得国家杰出青年基金,2006年入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,2010年任国家重大科学研究计划项目首席科学家,2016年成为国家基金委创新群体基金学术带头人,2019年当选中国科学院院士。

  在人类的历史上,以生产工具的发展为尺度,可以将人类历史划分为石器时代、青铜时代和铁器时代

  ……而每个时代的革新都离不开新的材料的出现。这些新的材料有的颠覆了一种产业,有的甚至改变了整个世界。

  仿生材料,指的是模仿生物的各种特点或特性而开发的材料,被视作从大自然获得灵感取得的成果。在俞书宏看来,了解自然界中天然材料的形成机理,可以指导材料学家用化学的方法去人工合成新材料,新的人工材料会在多领域造福人类。

  取之于自然 用之于人类

  孔雀羽毛为什么如此美丽?北极熊的毛为什么是空心的?珍珠和贝壳又是由什么组成的?

  5月28日晚8时,中国科学院院士、中国科学技术大学教授俞书宏做客安徽省科协举办的第四个“全国科技工作者日”的线上科普大讲堂活动,以“仿生材料的设计、合成与未来”为题,讲述了从自然界寻找灵感研发新材料的故事。

  在物产丰饶的大自然中,各种奇异的生物进化出了复杂的形态和结构,展现出多尺度、多层次的高级组装过程。从自然界的矿物质到动植物,俞书宏讲解了它们不为人知的另一面。

  “贝壳是一种保护软体动物的重要矿物。它是由阶梯教室一般的层状结构组成的,这种一层一层的堆积就像是‘砌墙’的砖泥结构,同时还具有一定的强度和韧性”。参照这一“砌墙”策略,俞书宏团队提出了一种合成天然珍珠母的“组装与矿化”方法,从源头上模仿天然贝壳珍珠层的形成过程和化学组分,在世界上首次成功矿化合成了人工珍珠母。这项研究成果于2016年10月,在美国《科学》杂志上发表。

  从动物身上,俞书宏的团队找到了值得模仿的生物特性。2019年6月,细胞出版社旗下期刊《化学》刊登了俞书宏课题组的研究成果:仿照单根北极熊毛发的中空结构,研制出一种新型的轻质保温隔热材料。

  在科普大讲堂中,俞书宏也谈到了北极熊毛发的特殊之处。他介绍说,“北极熊的毛发存在空腔结构,从此形成独特的白色外壳,并赋予它们显著的保温和疏水特性,使其成为合成保温材料的理想模型”。俞书宏团队通过组装人工合成的碳管纤维,设计出一种具有弹性的轻质材料,这种材料在使用期限内不会明显老化,而且能吸收热量。

  运用全新的理念重新设计制造,俞书宏团队陆续研发出具有隔热、阻燃、防火等性能的轻质高强材料。当多次被问及仿生材料的灵感来源,俞书宏总是会微笑着给出一个简单的答案:来自大自然。

  基于受自然启发,自2002年回国以来,俞书宏便开始从事仿生材料领域的研究工作。他认为,“自然界中广泛存在的多级有序结构对材料的宏观性能至关重要,理解其构效关系和形成机理将有助于创造全新功能的新材料。”2019年11月22日,中国科学院2019年院士增选结果正式对外公布,因在仿生材料合成领域的卓越贡献,中国科学技术大学俞书宏教授名列其中。

  科研工作“从0到1”

  近年来,俞书宏团队在新型纳米材料领域取得了一些进展。他们的研究包括聚合物和有机小分子模板对纳米结构单元的尺寸和维度及取向生长的调控规律、仿生多尺度复杂结构材料的合成及构效关系等多项创新成果。

  俞书宏说,“目前,简单组分与结构的纳米材料的可控合成已十分成熟,但其稳定性及服役性能往往不佳,难以满足实际应用需求。在进行材料合成设计时,也应该以功能化应用为导向,发展可宏量制备高质量纳米材料的技术。探索设计制备新型多组分异质纳米结构和功能集成,如何实现对纳米结构单元的表界面性质的调控,将会是未来纳米材料合成领域研究的重要方向之一”。

  因为疫情的关系,口罩和防护服成为必备的战疫物资。相关厂商迅速恢复生产,但又受到了重要制造原料——熔喷布稀缺的影响。目前,俞书宏团队正在研制一种替代品,利用全生物质的纳米纤维实现防护效果。

  作为一名科研人员,俞书宏非常关注目前我国在全球面临的一些挑战。在谈到如何解决高技术领域“卡脖子”的问题时,他提出,“要营造良好的科研创新环境和制定合理的激励措施,鼓励科研人员长期坚持重要领域的基础研究和协同攻关创新,甘于坐冷板凳”。

  在当前的创新环境下,俞书宏认为,“要把科研工作做到‘从0到1’,需要改革目前的科技成果、科技奖励、人才评价评审的政策和机制,鼓励科研人员积极探索和开辟新的研究方向,敢于去做原始创新的工作,抢占国际科技竞争的制高点。鼓励企业积极投入科技创新,制定合理的适应科技成果转化的政策,进一步释放科研人员的创新活力和调动他们的积极性。”

  淡泊名利 坐得了“冷板凳”

  人们常说“兴趣是最好的老师”,但在俞书宏看来,“科研兴趣未必天生就有,很多时候需要培养,尤其是老师对学生潜移默化的影响”。

  20世纪90年代中期,俞书宏考入了中国科学技术大学就读博士,师从我国纳米技术的开拓者、著名的无机化学家钱逸泰院士。在读博士期间,参与完成的“纳米非氧化物的溶剂热合成与鉴定”项目,获得了2001年度国家自然科学二等奖,2002年入选中国科学院引进国外杰出人才计划回科大工作,2003年获得国家杰出青年基金,2006年被评为长江学者奖励计划特聘教授。

  “钱老师特别注重对学生兴趣的呵护,低谷时为学生鼓励,骄傲时适时适当地泼点冷水。耄耋之年,钱老师还保持在一线工作,坚持亲自指导学生”。当老师后,俞书宏传承了导师的治学精神,注重培养学生对科研的兴趣,并引导学生养成良好的科研习惯。

  “早七点、晚十点”是俞书宏的工作常态。他常说,我们拿了国家这么多的经费必须争分夺秒,要拿出有“含金量”的东西,回报国家和社会。

  “科学家是科学知识和科学精神的重要承载者。作为一名新时代的科学家,要有胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、潜心研究的奉献精神,集智攻关、团结协作的协同精神,甘为人梯、奖掖后学的育人精神。”

  俞书宏还直言,“做科研就像跑马拉松,如果想在最后几圈挤进去,必须要有足够的力量和充分的准备。”

  以产学研用的角度解读,这最后的几圈,指的应该是将实验室的成果真正地转化为实实在在的产品,变成现实的生产力。这也是俞书宏团队正在努力的方向,目前他们研发的高性能仿生材料、新型隔热防火材料、生物质涂料等,正在接洽转化,力争尽快实现产业化,让成果走向市场。

  在第四个“全国科技工作者日”到来之际,俞书宏院士为青年科技工作者写下了一段寄语。他说,青年科技工作者应该志存高远,淡泊名利,坐得了“冷板凳”;在确定自己的科研方向时,多结合我们国家的国情,多思考国家战略和老百姓日常生活中的需求,专注一个研究方向,坚持做从0到1的原创性工作;要培养自己面对困难的勇气和解决问题的能力;应重视与同事及其他领域的研究者开展合作,不要固步自封,科研上的合作经常是“1+1远大于2”。

  文/李晶