關(guān)于合金成分設(shè)計研究的幾點思考

關(guān)于合金成分設(shè)計研究的幾點思考

2010年，上海有32家科技診所（跟蹤），其中包括26位同祥博士（上圖）。春節(jié)前兩天為約做采訪,我聯(lián)系了其中幾位,范同祥是最爽快給予回應(yīng)的。那天在上海交通大學(xué)徐家匯校區(qū)見面,范博士專門從閔行新校區(qū)趕來,他為了這次采訪做了很多準(zhǔn)備,給我?guī)砹舜罅康膮⒖假Y料,這些都令我感動。那天上午我基本上是在聽范博士講他的研究工作中的有意思的故事——如何從大自然中的樹木、樹葉、蝴蝶等生物體的結(jié)構(gòu)得到啟示,進而從搞清其功能出發(fā)推動新材料的研制。聽著范博士的介紹,看著他播放的PPT,特別是國外大量專業(yè)和科普類媒介對他們工作的介紹和不吝溢美之詞的評價,我的即時感受是上海交大真是一個藏龍臥虎之地!一本世紀(jì)初起,范同祥大學(xué)日本1971年出生的范同祥是山東昌邑人,1989年考入濟南的山東工業(yè)大學(xué),在那里一直念到1996年碩士畢業(yè),攻讀碩士學(xué)位期間,參與了“合金成分的價電子理論設(shè)計”研究,先后在《中國科學(xué)》(ScienceinChina)、《科學(xué)通報》(ChineseScienceBulletin)上發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇,其中“合金成分設(shè)計研究”獲山東省科技進步二等獎;1996年范同祥考入上海交通大學(xué)攻讀博士學(xué)位,其間,1998年8月～1999年4月在日本大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所從事復(fù)合材料界面國際合作研究;1999年11月獲上海交通大學(xué)復(fù)合材料專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位。1999年8月起任職于上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室,從講師做到教授,他用了7年時間,其間作為日本科學(xué)技術(shù)廳STAFellowship特別研究員在日本科學(xué)技術(shù)廳從事“陶瓷/金屬復(fù)合材料”國際合作研究一年。以上這段網(wǎng)上都能查到的文字大致給出了一個青年學(xué)者的成長經(jīng)歷,當(dāng)然是非常優(yōu)秀的,否則不可能留在上海交大這樣的高等學(xué)府。如果事情就這樣正常發(fā)展下去,可能上海交大收獲的只是在眾多的研究和教學(xué)骨干中再增一位,但是,范同祥日后的發(fā)展讓人們見識了一位有創(chuàng)新性思路的研究人員可能產(chǎn)生的能量。按照范博士自己的表述,大概是從本世紀(jì)初起,受自然界生物結(jié)構(gòu)形態(tài)完美、結(jié)構(gòu)精致和功能獨特完美匹配的吸引和誘惑,近年來,他所在的上海交大復(fù)合材料國家重點實驗室課題組,開展了利用自然界生物結(jié)構(gòu)自身化學(xué)組成特點及其本征結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為“遺態(tài)材料”的研究,希望借用自然界經(jīng)億萬年優(yōu)化的生物多層次、多維和跨尺度本征結(jié)構(gòu)為模板,通過人工方法,復(fù)制和傳承其物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部形態(tài)的同時,變更其結(jié)構(gòu)化學(xué)組成,以合成制備既有自然界生物精細(xì)結(jié)構(gòu),又有通過對轉(zhuǎn)化產(chǎn)物精細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)外修飾和組裝而人為賦予特性和功能的新材料,這種材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往是人工合成與人工仿生材料無法企及和比擬的。范博士告訴我,他和他的課題組同事大概是從本世紀(jì)初起逐步進入這一多學(xué)科深度交叉的嶄新研究領(lǐng)域。當(dāng)時,這個領(lǐng)域已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界受到關(guān)注和重視,如英國巴斯大學(xué)、布里斯托爾大學(xué)、法國應(yīng)用力學(xué)實驗室(LARMAUR)、日本名古屋大學(xué)、美國佐治亞理工學(xué)院等知名研究機構(gòu)從新材料、新結(jié)構(gòu)與新系統(tǒng)設(shè)計與啟迪等不同角度競相進行了不同程度探索性研究。而國內(nèi)主要是上海交通大學(xué)范同祥所在的金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室從自然界生物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為陶瓷材料的可行性、模板篩選、轉(zhuǎn)化陶瓷產(chǎn)物修飾組裝、跨尺度微結(jié)構(gòu)綜合表征和調(diào)控、功能定向性設(shè)計與應(yīng)用等方面進行了系列研究。從功能上設(shè)計一種材料的結(jié)構(gòu)聽了范博士的介紹,我更感興趣的是他最初是受到何種啟發(fā)而進入這一全新的仿生形態(tài)礦化領(lǐng)域的?范博士說,最初的想法源自復(fù)合材料專業(yè),他所在的金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室早期所做的一個方向的工作——長纖維增強本身就是模仿生物,正是從這里開始慢慢接觸了仿生學(xué)。后來實驗室又?jǐn)U展到短纖維方向,也是希望從自然界中獲得啟示,從復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中設(shè)計出三維網(wǎng)絡(luò)型的結(jié)構(gòu)材料。范同祥說,最初他們是注意到樹木的材料結(jié)構(gòu),從樹木的橫切面來看樹木的結(jié)構(gòu)為何能起到防撞擊的作用,希望對碳化硅陶瓷的設(shè)計有所啟示,由此開始慢慢進入了這一新領(lǐng)域。范博士說,他真正踏入仿生形態(tài)礦化領(lǐng)域是2004年,當(dāng)時國際上做的人并不多。目前為止,經(jīng)6年積累開始有一些自己獨特的工作?！斑@獨特的工作是指什么”?我向范博士發(fā)問。范答:“我們在做形態(tài)礦化時不僅注意結(jié)構(gòu)的不同,而且注重功能模擬。比如做樹葉時,通常的做法一般是把樹葉結(jié)構(gòu)復(fù)制成另一種人工材料,僅此而已,而對形態(tài)和功能的關(guān)系,特別是如何啟迪功能開發(fā)這一塊關(guān)注的人比較少。幸運的是,我們一開始就比較偏重如何啟迪功能開發(fā)。”范博士以樹葉的光合作用為例介紹說:“很多人都知道樹葉吸收二氧化碳、釋放氧氣的過程伴隨著一系列的復(fù)雜機理,需要進化出一些特殊結(jié)構(gòu)才能完成這些功能,這是一個復(fù)雜的功能體系。我們一方面要利用這一結(jié)構(gòu),而且始終盯著對其功能的開發(fā)利用,這樣不僅把機理搞清楚了,而且對樹葉進化而成的特有的、能有效捕獲光的結(jié)構(gòu)的功能原理也比較清楚了”。范博士可能知道我接下會問什么問題,所以他接著往下說:“搞清楚功能后才能作相應(yīng)的設(shè)計,這樣就為人工光合作用提供了可能。比如,現(xiàn)在已知樹葉的表面呈棱鏡結(jié)構(gòu),內(nèi)部則多是管狀的柵欄和無序的海綿組織,這些結(jié)構(gòu)對光的捕獲都極為重要。研究這些結(jié)構(gòu)及其機理可為人工設(shè)計光合作用體系構(gòu)建人工結(jié)構(gòu)”?？吹贸鰜?眼下所談的話題正是范博士和他的課題組的研究興奮點,我沒有打斷范博士的話:“光合作用國外一直在研究。但如何用人工方法實現(xiàn)光合作用,從功能上設(shè)計一種材料結(jié)構(gòu)體系是現(xiàn)在這一前沿領(lǐng)域的焦點所在,一旦能研發(fā)成這樣一種既能吸收二氧化碳,又能釋放出氧氣的人工光合作用系統(tǒng),就可為日后解決能源和環(huán)境問題提供了新的可能”?！坝捎诩夹g(shù)進步,這些被認(rèn)為是科學(xué)幻想的東西正在一步步走向現(xiàn)實。這方面比較早的例子是蒼蠅的復(fù)眼結(jié)構(gòu)帶來的啟示和應(yīng)用。最近的例子是受荷葉結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計的疏水結(jié)構(gòu),這也是受到水珠在荷葉上能自如滾動而不受損的啟發(fā)開始研究其機理,進而再從人工疏水結(jié)構(gòu)的設(shè)計到現(xiàn)實應(yīng)用。如今這種疏水結(jié)構(gòu)材料正催生出許多實際的應(yīng)用,小到正在開發(fā)的超疏水領(lǐng)帶,大到長距離輸運水的輸水管道,后者如果用疏水結(jié)構(gòu)其管壁阻力會更小。還有一個有很大需求的是在冰凍雨雪天氣下輸電線頻頻受損,如能采用疏冰結(jié)構(gòu)的輸電線就能解決冰凍雨雪對此的影響”?！叭缃襁@個時代,從事材料研究,特別是做復(fù)合材料研究的人要想在材料的表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)上有新的創(chuàng)意,往往要從自然界中獲得靈感。比如蝴蝶的變色機理能用到貨幣的防偽、航天器上太陽能面板的設(shè)計上。人類的進步往往是有意或無意模仿自然的結(jié)果。”以上幾段話我?guī)缀跏侵蛔治锤牡恼瞻?看到這篇報道的讀者大概都能讀出范同祥教授對自己的專業(yè)非常偏愛和投入,同時他又是一位難能可貴的熱心科普的人士,我看到他所填寫的項目申請表上都有長長的有關(guān)研究工作的背景、科學(xué)意義、應(yīng)用前景等介紹,這些文字稍作整理就是一篇很不錯的科普文章。當(dāng)然,更重要的是范同祥和他的實驗室這些年在這個領(lǐng)域的某些方面正起著主導(dǎo)者的作用,他是有資格說一些話的。目前,生物礦化研究還只是范同祥所在的上海交大金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室的一個方向。在這個方向上,有人研究蠶絲、羽毛,還有人研究顏色,自然界中的顏色,如黑色啟發(fā)他們研究超黑材料,主要利用形態(tài)變化,把幾乎所有的光都吸收掉,目前這種超黑材料的研究尚處在機理研究和技術(shù)儲備的階段。范同祥本人研究過木材、細(xì)菌、硅藻、樹葉、蝴蝶等,現(xiàn)在主要集中在樹葉、硅藻和蝴蝶上。范同祥的一項對樹葉結(jié)構(gòu)研究引出的“人工無機樹葉”這一理念,由于其可用于太陽能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,光解水制氧發(fā)生器、光電轉(zhuǎn)換器件等能源技術(shù)上,其本身的材料還可用于無機物的降解、污染氣體的處理等環(huán)境領(lǐng)域。唐前沿性課題研究近年來,范同祥所在課題組在生物分級構(gòu)造陶瓷制備方面開展了系統(tǒng)研究,先后獲國家發(fā)明專利授權(quán)7項,在Prog.Mater.Sci.、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.等刊物發(fā)表論文50余篇,被SCI收錄40余篇,SCI他引400余篇次,近年發(fā)表的論文4次被國際期刊選為封面,11篇次成為國際期刊HotPaper,論文先后被多家國外知名媒體關(guān)注并報道;“啟迪于自然光合作用的人工無機樹葉光解水制氫”的文章在《先進材料》(AdvancedMaterials)雜志上發(fā)表后,立即引起著名的英國《新科學(xué)家》雜志(NewScientist)的興趣,該刊首先撰文對這一重要成果的價值作了評述,然后麻省理工學(xué)院主辦的《技術(shù)評論》雜志(MITTechnologyReview)、BBCKnowledgeMagazine、國際光譜學(xué)雜志(PhotoinicsSpectrumMagazine)、《自然》雜志亞洲版(NatureChina)和NPGAsiaMaterials等都做了充分的報道;與此同時,2009年范同祥在材料領(lǐng)域國際頂級權(quán)威期刊、影響因子達15.8的《材料科學(xué)進展》(ProgressinMaterialsScience)上發(fā)表題為《生物礦化:從生物學(xué)到材料》BiomorphicMineralization:FromBiologyToMaterials的長篇綜述文章;上述研究被選為美國化學(xué)會第239次年會上的國際特邀報告,相關(guān)研究論文——“啟迪于自然光合作用的無機人工樹葉研究”——作為美國化學(xué)會第239次年會從12000篇研究論文中選出的30篇文章之一向國際媒體發(fā)布,并被ACSNews、ScienceDaily、DiscoveryChanelNews等眾多國際媒體所關(guān)注。作為一個研究者,收獲如此多的來自國際學(xué)術(shù)界同行和科學(xué)刊物的認(rèn)可和評價,無疑是更能激發(fā)其自信心的。在興奮之余,范同祥也是清醒的,他很清楚,盡管在材料制備方面取得較大進展,但如何更有效實現(xiàn)自然界生物向新材料與新結(jié)構(gòu)的跨越轉(zhuǎn)變依然是一個很大的挑戰(zhàn)。目前他主攻的方向——“生物分級構(gòu)造陶瓷及其功能化基礎(chǔ)”研究(這也是范同祥這次入選啟明星計劃(跟蹤)的課題)就是瞄準(zhǔn)在學(xué)術(shù)方面具有極高研究價值和在材料應(yīng)用方面具有極廣潛在價值的生物分級構(gòu)造陶瓷。范同祥希望通過這些課題研究能為如何系統(tǒng)地表征分級構(gòu)造特征、如何揭示分級構(gòu)造與功能之間的耦合關(guān)聯(lián)等該領(lǐng)域關(guān)鍵的科學(xué)問題上做出貢獻。作為大學(xué)教授,范同祥同樣是出色的,他在教學(xué)中注重前沿課題內(nèi)容與課程學(xué)習(xí)內(nèi)容之間關(guān)聯(lián),最大限度地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生興趣和熱情。近年來范老師獨立指導(dǎo)碩士生9人、博士研究生6人、本科畢業(yè)設(shè)計6人,其中,有一位碩士生獲上海市優(yōu)秀碩士論文,三位碩士生獲國外著名大學(xué)佐治亞大學(xué)、東京大學(xué)和劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室名師指導(dǎo)深造的機會。因為在科研和教學(xué)上的突出成就,這些年里范同祥先后獲得“上海市曙光學(xué)者”、“上海交通大學(xué)晨星學(xué)者資助計劃”、“上海市科技啟明星跟蹤計劃”、“教育部優(yōu)秀青年教師資助