上海交通大學特聘教授張荻的材料遺態學探索之路

文/劉榮 李艷

上海交通大學特聘教授張荻的材料遺態學探索之路

文/劉榮 李艷

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

學成歸來 碩果滿身

出生于西安的張荻，高中畢業后插過隊也做過工人。在農村和工廠鍛煉的幾年中，張荻深感知識的重要，一邊工作一邊學習。1977年高考恢復，張荻作為改革開放后第一批考生，并考取了西安交通大學材料科學系。畢業那年，成績優異的他又獲得了教育部出國讀研究生的機會，踏上了赴日本留學的旅程。在日本期間，他分獲大阪大學碩士學位以及博士學位。1988年，學有所成的張荻回到祖國并在上海交通大學任教，現為上海交通大學特聘教授，2001年被聘為“長江學者獎勵計劃”材料學科的長江學者，金屬基復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合材料制備科學和遺態材料學的基礎及應用研究，在主持和承擔國家自然科學基金、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以及加拿大鋁業集團、德國拜耳、英國摩根、美國陶氏化學、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系。

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

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

“我們不僅希望通過傳承生物精細結構能與材質耦合的效應制備出性能大幅提高的新材料，更重要的是開展轉換結構與材質耦合效應機理等相關問題的基礎和前沿探索研究。”

——張荻

遺態材料 源于自然

大自然是人類賴以生存的基礎和智慧的源泉，也是人類的創造寶庫。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環境，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構來滿足自身特殊功能的需求。

而材料學中出現的新概念——材料遺態學，正是源于自然界生物的啟迪。據張荻介紹，材料遺態學是指借用自然界經億萬年進化的生物自身多層次、多維、多結構的本征結構，通過人工方法，變更其結構組分，制備出既保持自然界生物精細分級結構，又擁有人為賦予的新功能的新型結構功能一體化材料。

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計特征；海老鼠的每個鬃毛均由六棱狀微纖毛構成，這樣沿縱向就產生了一種自然的類光子的晶體纖維結構；而藍色大閃蝶發出的絢麗藍色光澤，則是由組成其翅膀鱗片的具有不同折射率系數的甲殼素層和空氣層交替層疊形成的光子結構形成的。

據張荻介紹，從材料角度來看，這些生物擁有形態迥異、尺度不一、結構精細、功能集成等眾多特點，并且多成分、多功能的材質和多尺度、多維度的結構耦合的特質，無不證明它們是精細復雜的材料體；從生物結構上看，它們既是形狀和結構復雜的天然復合材料，同時也是橫跨微觀尺度和宏觀尺度的有機綜合體，不同的生物結構具有獨特的結構——功能關系、迥異的機械強度、空氣動力學、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，自然生物結構與功能的統一是生物本身經過千百萬年來的遺傳進化而優化發展起來的，自然生物結構的高度精細化、結構與功能組合的微小尺度化、組織的高度分級化，無不體現了自然生物適應環境的獨特結構與獨特功能的匹配與統一。”張荻說，“這種結構和功能的集成化和一體化無疑為先進材料的設計和制備提供了借鑒意義。”

“師法自然”，自古以來向大自然學習是人類獲取知識、汲取營養的最直接、最根本的方法和手段。然而遺憾的是，一方面，我們仍然缺乏對大自然系統科學的研究；另一方面，即使擁有現當代最高水準的科學技術和設備儀器，人類仍然難以效仿出大自然經億萬年優化而得來的精美細致的分級結構及其所具有的多功能特性。

為了擺脫傳統材料設計的缺陷，并且能夠快速、簡潔地設計出結構與功能一體化的新型材料，金屬基復合材料國家重點實驗室遺態材料研究小組在張荻的帶領下，開展了基于生物精細結構的遺態材料研究。張荻希望以自然生物為模板，利用物理化學方法傳承生物精美、精細的結構和形態，同時改變其化學成分，從而制造出既保留自然界精細結構，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結構能與材質耦合的效應制備出性能大幅提高的新材料，更重要的是開展轉換結構與材質耦合效應機理等相關問題的基礎和前沿探索研究。”

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

近年來，在張荻的啟發和領導下，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結構的生物材料，雞蛋膜、蠶絲纖維、細菌和蝴蝶翅膀等都成為了張荻和其研究小組關注的對象。

使用各種遺態材料合成技術，張荻和研究小組制備了一系列氧化物和硫組化合物半導體復合材料，經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復合材料的分級結構形式原理。

張荻說：“遺態材料及其復合材料是涉及了化學、材料學、物理學、生物學等多學科交叉的研究，同時也囊括了陶瓷、金屬、聚合物領域的一種新的設計理念和制備方式。通過優化的化合物、生物原始結構和可控氣氛的人工耦合作用，控制生物模板材料中的化學反應來合成和復制生物結構、遺傳其形態和物理結構，能夠為今后實現設計和制備多維、多結構、多功能集成化和定向化的新型先進材料提供新的途徑。”

科研成果 引領未來

張荻率領科研小組在國際范圍內率先提出，可利用具有精細分級結構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。

“自然界的物種經過了千百萬年自然選擇的殘酷競爭，已經進化出無數特殊相應的精細結構。從這些特殊結構中，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。”

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。據介紹，這種蝴蝶黑色的翅膀上，有一些具有準蜂窩結構的細微鱗片，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：“蜂窩狀鱗片結構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，在其內表面反復反射吸收，相較于普通鱗片，它擁有更低的反射率和更高的光吸收率。”

受此啟發，張荻的研究小組設計了一種全新的、具有高光捕獲性能的太陽能電池的光陽極構件，并且進行了相關研究和驗證。通過遺態工藝，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構的二氧化鈦材料。

張荻經過進一步研究發現，相對于普通的二氧化鈦薄膜，具有蝶翅結構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換效率。這項研究巧妙地將自然進化的精細特種結構與功能材料的設計、制備一體化結合在一起，為今后新型的染料敏化太陽能電池提供了全新的設計思想和實驗依據。同時，這項研究也被國際眾多科學網站引用報道，加拿大的“探索”頻道還對此進行了專題報道。

為適應國家戰略需求和學科發展，張荻研究小組在保持原有結構復合材料的基礎上，拓寬了功能復合材料的研究與開發，形成了結構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構的生物分級構造新材料，在能源、國防、環境及光電功能等材料領域中開展了應用基礎研究。

目前，張荻的研究小組在遺態材料及其復合材料的研究領域已取得了可喜成果，已申請和獲得國家發明專利18項，在眾多高影響力的國際期刊發表論文70余篇，撰寫英文專著《啟迪于自然的遺態材料》，為國際會議和學術交流會作學術和特邀報告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。

遺態材料及其復合材料的研究突破了傳統材料設計和合成制備科學的常規理念，為未來新材料和新結構的設計提供了前瞻性的思路，同時也為未來設計和制造具有獨特結構、獨特功能特性的新材料和新結構提供了理論依據和制造原型。