在大千世界中找尋科研靈感
——記華中科技大學材料科學與工程學院教授黃威

鄭 心 劉玉杰

相傳早在大禹時期，我國古代的勞動人民觀察魚在水中可憑尾巴的搖擺而游動、轉彎，于是他們就在船尾上架置了木槳，再通過反復觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，掌握了使船轉彎的手段。在歐洲，列奧納多·達·芬奇（Leonardo da Vinci）通過研究鳥類飛行制造出第一個飛行器，400年之后，人們經過長期反復的實踐，在1903年發明了飛機，使人類實現了飛上天空的夢想。

以上這些模仿生物構造和功能的發明與嘗試，被認為是人類仿生學的先驅，也是仿生學的萌芽。達爾文在《進化論》中提到：“物競天擇，適者生存”。自然界的萬物經過數十億年進化，得到了適應各種各樣環境的先進結構與功能，非常值得材料科學家去研究和學習。

黃威正是研究仿生材料和結構的一名青年材料科學研究者，他主要從事高強度抗沖擊生物和仿生復合材料的多尺度結構和力學性能研究，“我立足于高強度抗沖擊性能，研究仿生復合材料，學習生物體的內在結構，努力將其中原理應用于實踐，從而在國防領域和生命健康領域發揮重要的作用”。

開啟研究之路

2013年，黃威從華中科技大學材料工程專業碩士畢業。為了能進一步深入研究生物材料，他決定出國深造，選定的學校是加州大學圣地亞哥分校（UCSD）。“UCSD所在的圣地亞哥地區是世界上生物科學和生物技術領域最強大的地區之一，而且坐落在海灘邊，環境優美、氣候宜人。如果能在這里學習，在科學研究上一定能得到極大的提升。”抱著這樣的想法，2013年9月，黃威搭上了前往美國的飛機，一段未知的旅程在等待著他。

到美國后，黃威迅速投入學習中，在這里，他遇到了他的博士生導師——材料科學領域著名專家喬安娜·麥基特里克（Joanna McKittrick）。“教授問我選擇什么課題，我說不知道，還在思考。而她也不催促我，只說要帶我去海邊轉轉，最后我們去了當地非常有名的斯克利普斯海洋研究所。”在斯克利普斯海洋研究所，黃威第一次看到了無脊椎動物和脊椎動物的標本收藏，其中有些魚類已經絕跡，這些標本讓他大開眼界，深受震撼。喬安娜導師告訴黃威，大自然是一個天然寶庫，他們作為材料科學家可以在其中得到啟發，去發現、尋找研發新材料的靈感。

黃威與妻子及導師喬安娜·麥基特里克（Joanna McKittrick）教授的合影

在這次短暫的參觀之行后，黃威確定自己的研究方向，開啟了他在仿生材料方向的研究之路。

“我在博士期間主要跟著喬安娜導師參與了美國空軍科學研究辦公室的多校聯合資助（Multidisciplinary University Research Initiative，簡稱MURI）項目，總經費750萬美元。”黃威介紹說，這一項目名叫“從趨同進化到工程應用：生物復合材料和仿生材料的多尺度結構和力學”，研究的是自然界生物經過幾億甚至幾十億年的進化后，在不同的條件下進化出一些相似的結構和功能以適應相應的環境。他們通過比較總結一些生物體的結構，研究其力學性能，一方面想弄清楚為什么幾億年的自然選擇和進化會得到這些特殊的結構，在力學性能或者其他功能上有哪些優勢；另一方面想把這些設計思想應用到人們日常生活中所用到的工程結構和材料中。

這是一個多學科交叉項目，里面涉及生物、化學、物理、材料和力學等各方面的知識，由來自各個領域的科學家共同合作，產出成果。參與到項目中的黃威在5年里也得到了長足的進步和成長，成為一個能夠獨當一面的研究者。2018年6月，他順利從USCD博士畢業，邁向下一站——加州大學河濱分校。

神奇的生物

黃威選擇河濱分校的原因很簡單，因為MURI項目的總負責人大衛·基塞盧斯（David·Kisailus）在河濱分校當教授，“博士畢業后，我對這個項目很感興趣，于是就去了大衛教授那里。”黃威解釋說，他在河濱分校待了一年半后，又跟著大衛教授搬到了加州大學爾灣分校，期間一直從事抗沖擊性能方面的研究。

黃威的主要研究對象是一種叫螳螂蝦的古老甲殼動物。此種甲殼類動物有兩個錘狀的掠食附肢，稱為“胳膊肘”（dactyl club），可用于猛擊和粉碎獵物。“胳膊肘”在攻擊時能夠以80km/h的速度揮出有力的一擊，同時保持自身完好無損。

為了進一步了解螳螂蝦的抗沖擊原理，黃威做了3個方面的工作。“一是結構分析，因為這個蝦特別小，所以我們花了大量的時間研究它的結構，看看它的‘胳膊肘’是怎么組裝出來的；二是力學測試，測試它是如何接受沖擊的，吸收的能量有多大，拿出具體的數據；三是最難的，如何把它抗沖擊的原理解析出來，通過理論計算、模擬沖擊等一系列的實驗，得到最后的成果。”黃威和研究團隊采用透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡檢查了螳螂蝦“胳膊肘”表面的納米級結構和材料成分，確定表面的納米顆粒是由有機（蛋白質和甲殼素）和無機（磷酸鈣）納米晶體交織而成的雙連續結構。

“這種3D無機納米晶體是一種介晶，就像樂高積木堆疊在一起一樣，連接的地方在取向上有微小的差異。此種小角度晶界在高速沖擊下的斷裂可以吸收很大的能量，宏觀層面能將穿刺深度減少一半。”黃威說道，“通過將此類微觀結構與當前先進制造技術相結合，可以為具有廣闊應用前景的新一代先進材料提供潛在的設計方案，以用于建筑物、防彈衣、飛機、汽車、艦船、風電葉片等的抗沖擊振動及耐磨的涂層。”

以上研究于2020年以題為《一種天然抗沖擊雙連續復合納米顆粒涂層》（A Natural Impact Resistant Bicontinuous Composite Nanoparticle Coating）的論文發表在《自然·材料》（Nature Materials）上，獲得美國科學促進會主辦的全球科學新聞發布平臺“真相提示”（EurekAlert!）、美國物理學家組織網站（Phys.org）、美國《每日科學》（Science Daily）等主流學術媒體重點報道。

新的旅程

2021年7月，黃威結束了自己在加州大學爾灣分校的工作，前往香港科技大學機械與航空航天工程系擔任助理教授。在香港的一年時間里，黃威把自己的重心放在教學工作上，他將過往幾年的成果進行了總結，在著名期刊《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）上發表了一篇題為《由甲殼質支架組裝的堅韌納米生物復合材料》（Nano-Architected Tough Biological Composites from Assembled Chitinous Scaffolds）的文章。

回首過往十多年的研究歷程，喬安娜教授是對黃威影響最深的人。“她可以說是我的科研引路人，我當時去美國，英語不好，也不會寫論文，是喬安娜教授一遍一遍地指導我，幫助我修改，直到最終完成。她的嚴謹和耐心，我至今都記憶猶新。”很可惜的是，喬安娜教授已于2019年去世，但在黃威的心中，永遠都會記得她。

而在生活中，黃威最想感謝的是愛人黃麗娟的支持。“我這么多年到處奔波，妻子都陪在我的身邊，這讓我很感動。”他在遭遇重大挫折的時候，偶爾也會埋怨說不想干了，而每當這種時候，妻子就會陪著他，或者建議他開車出去放松一下。“我記得讀博的時候，我們最喜歡做的事就是出去自駕游，隨心所欲地在美國西部跑上一圈，現在想起來是一段美好的回憶。”黃威感慨道。

2022年7月，黃威回到了自己的母校——華中科技大學擔任教授。“再次回到武漢，回到母校任教，我感到非常榮幸。后續我也將繼續仿生學的研究，進一步開發材料制備手段如三維打印等，將其應用到和我們息息相關的工程材料中，例如，面向祖國的重大需求，將仿生高強度抗沖擊和耐磨材料應用于國防領域；另外，自然界材料巧妙的思想也可以應用到生物材料的設計和制備上，為我們的健康服務，例如骨骼和牙齒的修復材料。”

面向未來，黃威期待在華中科技大學這個平臺繼續聚焦仿生材料研究，并依托材料學院和材料成形及模具技術國家重點實驗室，堅持四個面向，為祖國和人民貢獻自己的力量。