河蚌是一種常見的淡水蚌類，濾食時，兩片外殼會重復開合運動。兩片外殼連接部位為鉸鏈，其承受反復運動和變形的過程進入了我國科學家的研究視線。

　　中國科學技術大學俞書宏院士團隊從中受到啟發(fā)，他們聯(lián)合同校的吳恒安教授團隊，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制，提出了一種多尺度結構設計與成分固有特性相結合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結構材料的合理設計和制備提供了新的見解。成果于前不久發(fā)表在國際學術期刊《科學》（Science）上。

　　一位審稿專家高度評價該工作，稱“這無疑激發(fā)了對生物復合材料的進一步研究，以設計耐疲勞性能增強的新材料”。

　　從最初發(fā)現(xiàn)到最終論文發(fā)表，這項研究已經(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，團隊注意到河蚌外殼珍珠層和鉸鏈部位微觀結構的差異。2015年，茅瓅波副研究員從他的師兄劉蕾那里接過這項工作，繼續(xù)開展河蚌鉸鏈的解析，但一直沒有達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，和同年入學的師弟孟祥森開始合作繼續(xù)推進這一研究工作，沒想到，這一做又是6年。

　　值得一提的是，2016年，俞書宏院士及其團隊提出一種新的“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，相關研究成果當年發(fā)表在《科學》上。俞書宏說，通過對生物材料微觀結構的細致觀察和深入研究，可以發(fā)現(xiàn)多級有序結構對材料宏觀性能的提升能起到至關重要的作用。

　　這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研究奠定基礎。“我們要向自然學習，河蚌為新材料的研制提供源源不斷的靈感。”俞書宏院士常用“有所發(fā)現(xiàn)”“有所發(fā)明”“有所創(chuàng)造”這3個詞總結他領銜的仿生材料研究團隊的期待和目標。

　　他認為，要學會發(fā)現(xiàn)自然界神奇的生物材料的特殊性質，再通過解析自然材料，特別是生命體所創(chuàng)造的具有復雜結構的生物材料，弄清楚材料組成、結構與功能之間的關系，指導科學家在仿生領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，其結構設計是從宏觀尺度直達分子尺度。想要把如此復雜的材料結構以及性能之間的聯(lián)系說清楚，十分具有挑戰(zhàn)性。”

　　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隊注意。

　　團隊回憶，10年前的測試儀器很難實現(xiàn)對材料精細結構表征的要求。近年來，得益于國家和學校在硬件方面加大投入，研究團隊也有更好的平臺、條件去實現(xiàn)目標。

　　例如，在研究鉸鏈微觀結構過程中，需要研究人員分析材料各個微區(qū)的晶體學取向，得用X射線單晶衍射儀連續(xù)做幾百次測試。為此，生命科學實驗中心負責單晶衍射儀的朱中良老師不僅陪著團隊成員熬夜測試，還主持搭建了一個自動測試平臺，極大減輕了實驗負擔。

　　在仿生材料研究領域，除了掌握化學材料相關知識，也需要對生物學、力學、數(shù)學方面的知識有所掌握。這也是研究的難點之一，要求研究人員具有很強的學科交叉能力。

　　俞書宏院士說：“天然材料，特別是生物材料，它的結構非常復雜。在研究的時候需要我們具有跨學科的知識儲備。”俞書宏經(jīng)常指導剛進入實驗室的同學，鼓勵同學們在仿生材料領域發(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)合攻關團隊的碩博研究生平均年齡不到31歲。在俞書宏院士看來，長達近10年的研究工作，離不開青年科研人員對基礎科學長期研究的堅守和信心，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見、傳承和堅持，最終才能夠取得又一突破性的成果。”

　　近年來，隨著小型智能化的可穿戴電子設備技術發(fā)展，產(chǎn)品柔性化已成趨勢，折疊屏、折疊手機逐漸進入日常生活。但是，要想真正實現(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構設計策略，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)制具有普遍指導意義。

　　俞書宏認為，仿生材料未來發(fā)展前景非常廣闊，通過全新的設計理念，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、防護等領域發(fā)揮出獨特的功能和應用價值，這也是團隊未來努力的重要方向。

　　讓團隊欣喜的是，他們目前已與中國科學院海洋研究所聯(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)的生物基礎材料推向實際應用，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。”

　　盧玥 中青報·中青網(wǎng)記者 王海涵 王磊 來源：中國青年報