关于合金成分设计研究的几点思考

关于合金成分设计研究的几点思考

2010年，上海有32家科技诊所（跟踪），其中包括26位同祥博士（上图）。春节前两天为约做采访,我联系了其中几位,范同祥是最爽快给予回应的。那天在上海交通大学徐家汇校区见面,范博士专门从闵行新校区赶来,他为了这次采访做了很多准备,给我带来了大量的参考资料,这些都令我感动。那天上午我基本上是在听范博士讲他的研究工作中的有意思的故事——如何从大自然中的树木、树叶、蝴蝶等生物体的结构得到启示,进而从搞清其功能出发推动新材料的研制。听着范博士的介绍,看着他播放的PPT,特别是国外大量专业和科普类媒介对他们工作的介绍和不吝溢美之词的评价,我的即时感受是上海交大真是一个藏龙卧虎之地!一本世纪初起,范同祥大学日本1971年出生的范同祥是山东昌邑人,1989年考入济南的山东工业大学,在那里一直念到1996年硕士毕业,攻读硕士学位期间,参与了“合金成分的价电子理论设计”研究,先后在《中国科学》(ScienceinChina)、《科学通报》(ChineseScienceBulletin)上发表学术论文9篇,其中“合金成分设计研究”获山东省科技进步二等奖;1996年范同祥考入上海交通大学攻读博士学位,其间,1998年8月～1999年4月在日本大阪大学接合科学研究所从事复合材料界面国际合作研究;1999年11月获上海交通大学复合材料专业工学博士学位。1999年8月起任职于上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,从讲师做到教授,他用了7年时间,其间作为日本科学技术厅STAFellowship特别研究员在日本科学技术厅从事“陶瓷/金属复合材料”国际合作研究一年。以上这段网上都能查到的文字大致给出了一个青年学者的成长经历,当然是非常优秀的,否则不可能留在上海交大这样的高等学府。如果事情就这样正常发展下去,可能上海交大收获的只是在众多的研究和教学骨干中再增一位,但是,范同祥日后的发展让人们见识了一位有创新性思路的研究人员可能产生的能量。按照范博士自己的表述,大概是从本世纪初起,受自然界生物结构形态完美、结构精致和功能独特完美匹配的吸引和诱惑,近年来,他所在的上海交大复合材料国家重点实验室课题组,开展了利用自然界生物结构自身化学组成特点及其本征结构转化为“遗态材料”的研究,希望借用自然界经亿万年优化的生物多层次、多维和跨尺度本征结构为模板,通过人工方法,复制和传承其物理结构和内部形态的同时,变更其结构化学组成,以合成制备既有自然界生物精细结构,又有通过对转化产物精细结构内外修饰和组装而人为赋予特性和功能的新材料,这种材料内部结构往往是人工合成与人工仿生材料无法企及和比拟的。范博士告诉我,他和他的课题组同事大概是从本世纪初起逐步进入这一多学科深度交叉的崭新研究领域。当时,这个领域已在国内外学术界受到关注和重视,如英国巴斯大学、布里斯托尔大学、法国应用力学实验室(LARMAUR)、日本名古屋大学、美国佐治亚理工学院等知名研究机构从新材料、新结构与新系统设计与启迪等不同角度竞相进行了不同程度探索性研究。而国内主要是上海交通大学范同祥所在的金属基复合材料国家重点实验室从自然界生物结构转化为陶瓷材料的可行性、模板筛选、转化陶瓷产物修饰组装、跨尺度微结构综合表征和调控、功能定向性设计与应用等方面进行了系列研究。从功能上设计一种材料的结构听了范博士的介绍,我更感兴趣的是他最初是受到何种启发而进入这一全新的仿生形态矿化领域的?范博士说,最初的想法源自复合材料专业,他所在的金属基复合材料国家重点实验室早期所做的一个方向的工作——长纤维增强本身就是模仿生物,正是从这里开始慢慢接触了仿生学。后来实验室又扩展到短纤维方向,也是希望从自然界中获得启示,从复合材料的结构中设计出三维网络型的结构材料。范同祥说,最初他们是注意到树木的材料结构,从树木的横切面来看树木的结构为何能起到防撞击的作用,希望对碳化硅陶瓷的设计有所启示,由此开始慢慢进入了这一新领域。范博士说,他真正踏入仿生形态矿化领域是2004年,当时国际上做的人并不多。目前为止,经6年积累开始有一些自己独特的工作。“这独特的工作是指什么”?我向范博士发问。范答:“我们在做形态矿化时不仅注意结构的不同,而且注重功能模拟。比如做树叶时,通常的做法一般是把树叶结构复制成另一种人工材料,仅此而已,而对形态和功能的关系,特别是如何启迪功能开发这一块关注的人比较少。幸运的是,我们一开始就比较偏重如何启迪功能开发。”范博士以树叶的光合作用为例介绍说:“很多人都知道树叶吸收二氧化碳、释放氧气的过程伴随着一系列的复杂机理,需要进化出一些特殊结构才能完成这些功能,这是一个复杂的功能体系。我们一方面要利用这一结构,而且始终盯着对其功能的开发利用,这样不仅把机理搞清楚了,而且对树叶进化而成的特有的、能有效捕获光的结构的功能原理也比较清楚了”。范博士可能知道我接下会问什么问题,所以他接着往下说:“搞清楚功能后才能作相应的设计,这样就为人工光合作用提供了可能。比如,现在已知树叶的表面呈棱镜结构,内部则多是管状的栅栏和无序的海绵组织,这些结构对光的捕获都极为重要。研究这些结构及其机理可为人工设计光合作用体系构建人工结构”。看得出来,眼下所谈的话题正是范博士和他的课题组的研究兴奋点,我没有打断范博士的话:“光合作用国外一直在研究。但如何用人工方法实现光合作用,从功能上设计一种材料结构体系是现在这一前沿领域的焦点所在,一旦能研发成这样一种既能吸收二氧化碳,又能释放出氧气的人工光合作用系统,就可为日后解决能源和环境问题提供了新的可能”。“由于技术进步,这些被认为是科学幻想的东西正在一步步走向现实。这方面比较早的例子是苍蝇的复眼结构带来的启示和应用。最近的例子是受荷叶结构启发设计的疏水结构,这也是受到水珠在荷叶上能自如滚动而不受损的启发开始研究其机理,进而再从人工疏水结构的设计到现实应用。如今这种疏水结构材料正催生出许多实际的应用,小到正在开发的超疏水领带,大到长距离输运水的输水管道,后者如果用疏水结构其管壁阻力会更小。还有一个有很大需求的是在冰冻雨雪天气下输电线频频受损,如能采用疏冰结构的输电线就能解决冰冻雨雪对此的影响”。“如今这个时代,从事材料研究,特别是做复合材料研究的人要想在材料的表面形态、结构上有新的创意,往往要从自然界中获得灵感。比如蝴蝶的变色机理能用到货币的防伪、航天器上太阳能面板的设计上。人类的进步往往是有意或无意模仿自然的结果。”以上几段话我几乎是只字未改的照搬,看到这篇报道的读者大概都能读出范同祥教授对自己的专业非常偏爱和投入,同时他又是一位难能可贵的热心科普的人士,我看到他所填写的项目申请表上都有长长的有关研究工作的背景、科学意义、应用前景等介绍,这些文字稍作整理就是一篇很不错的科普文章。当然,更重要的是范同祥和他的实验室这些年在这个领域的某些方面正起着主导者的作用,他是有资格说一些话的。目前,生物矿化研究还只是范同祥所在的上海交大金属基复合材料国家重点实验室的一个方向。在这个方向上,有人研究蚕丝、羽毛,还有人研究颜色,自然界中的颜色,如黑色启发他们研究超黑材料,主要利用形态变化,把几乎所有的光都吸收掉,目前这种超黑材料的研究尚处在机理研究和技术储备的阶段。范同祥本人研究过木材、细菌、硅藻、树叶、蝴蝶等,现在主要集中在树叶、硅藻和蝴蝶上。范同祥的一项对树叶结构研究引出的“人工无机树叶”这一理念,由于其可用于太阳能电池结构设计,光解水制氧发生器、光电转换器件等能源技术上,其本身的材料还可用于无机物的降解、污染气体的处理等环境领域。唐前沿性课题研究近年来,范同祥所在课题组在生物分级构造陶瓷制备方面开展了系统研究,先后获国家发明专利授权7项,在Prog.Mater.Sci.、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.等刊物发表论文50余篇,被SCI收录40余篇,SCI他引400余篇次,近年发表的论文4次被国际期刊选为封面,11篇次成为国际期刊HotPaper,论文先后被多家国外知名媒体关注并报道;“启迪于自然光合作用的人工无机树叶光解水制氢”的文章在《先进材料》(AdvancedMaterials)杂志上发表后,立即引起著名的英国《新科学家》杂志(NewScientist)的兴趣,该刊首先撰文对这一重要成果的价值作了评述,然后麻省理工学院主办的《技术评论》杂志(MITTechnologyReview)、BBCKnowledgeMagazine、国际光谱学杂志(PhotoinicsSpectrumMagazine)、《自然》杂志亚洲版(NatureChina)和NPGAsiaMaterials等都做了充分的报道;与此同时,2009年范同祥在材料领域国际顶级权威期刊、影响因子达15.8的《材料科学进展》(ProgressinMaterialsScience)上发表题为《生物矿化:从生物学到材料》BiomorphicMineralization:FromBiologyToMaterials的长篇综述文章;上述研究被选为美国化学会第239次年会上的国际特邀报告,相关研究论文——“启迪于自然光合作用的无机人工树叶研究”——作为美国化学会第239次年会从12000篇研究论文中选出的30篇文章之一向国际媒体发布,并被ACSNews、ScienceDaily、DiscoveryChanelNews等众多国际媒体所关注。作为一个研究者,收获如此多的来自国际学术界同行和科学刊物的认可和评价,无疑是更能激发其自信心的。在兴奋之余,范同祥也是清醒的,他很清楚,尽管在材料制备方面取得较大进展,但如何更有效实现自然界生物向新材料与新结构的跨越转变依然是一个很大的挑战。目前他主攻的方向——“生物分级构造陶瓷及其功能化基础”研究(这也是范同祥这次入选启明星计划(跟踪)的课题)就是瞄准在学术方面具有极高研究价值和在材料应用方面具有极广潜在价值的生物分级构造陶瓷。范同祥希望通过这些课题研究能为如何系统地表征分级构造特征、如何揭示分级构造与功能之间的耦合关联等该领域关键的科学问题上做出贡献。作为大学教授,范同祥同样是出色的,他在教学中注重前沿课题内容与课程学习内容之间关联,最大限度地激发和培养学生兴趣和热情。近年来范老师独立指导硕士生9人、博士研究生6人、本科毕业设计6人,其中,有一位硕士生获上海市优秀硕士论文,三位硕士生获国外著名大学佐治亚大学、东京大学和剑桥大学卡文迪许实验室名师指导深造的机会。因为在科研和教学上的突出成就,这些年里范同祥先后获得“上海市曙光学者”、“上海交通大学晨星学者资助计划”、“上海市科技启明星跟踪计划”、“教育部优秀青年教师资助