中科院院士俞书宏：他“教”化学家“种”材料，向自然要答案破解卡脖子难题

“我们要学的不是大自然造了什么，而是它怎么造的。”

2018年，一家国际顶尖材料公司的首席科学家在学术会议上，面对一种性能卓越的仿贝壳材料惊叹道：“这几乎和自然生长的一模一样，你们是怎么做到的？”报告的科学家——俞书宏院士平静回应：“我们是向贝壳学了它的‘建筑学’。”这种被誉为“人工珍珠母”的材料，力学性能与天然贝壳相媲美，而其制备方法，彻底颠覆了传统材料制造的思维。

俞书宏，中国科学院院士，中国科学技术大学教授。二十余年来，他潜心于“仿生材料”这一交叉领域，向自然学习智慧，开创了“仿生结构材料合成”的新范式，为解决国家在关键材料领域的“卡脖子”难题，提供了全新的中国方案。

01 科研突破：解码自然的“建筑密码”，在实验室“种”出珍珠母

上世纪90年代末，俞书宏在思考一个根本问题：为何贝壳珍珠母的主要成分是脆弱的碳酸钙，而整体却异常坚韧？为何人类用同样成分造出的陶瓷却易碎？

“自然用了五亿年优化它的‘配方’和‘工艺’，这里面一定藏着最精妙的科学。”他带领团队，将研究视角从“化学组成”转向“多级结构与组装过程”。通过高分辨电镜等技术，他们首次清晰揭示了珍珠母的“砖泥结构”——微米级碳酸钙片层如砖块，纳米级有机质如水泥，二者精准交错排列，形成了异常强韧的复合结构。

然而，揭示结构只是第一步。如何在实验室复现这种精妙的自然过程？传统的高温高压合成路径显然行不通。俞书宏团队另辟蹊径，提出了 “仿生合成”与“多级组装”相结合的革命性思路。他们发展出一种“定向冻结组装”技术，模拟生物矿物的低温、水相合成环境，成功实现了对无机纳米单元的精确排列和有机-无机界面的精细调控。

历经数年攻关，他们最终在常温常压下，“生长”出了宏观尺寸的人工珍珠母。这种材料不仅在强度、韧性上媲美天然贝壳，更具备了可设计、可加工的工程材料特性。该成果发表在《科学》杂志上，被誉为“仿生材料领域的里程碑式进展”，标志着人类在模仿自然、创造高性能复合材料方面迈出了关键一步。

02 育人理念：培养“既善问自然，又能造未来”的探索者

在科大的实验室里，俞书宏的学生们有一个独特的“必修课”——观察自然。他的办公桌上常年摆放着贝壳、骨骼、竹子等天然结构样本。

“材料科学家首先应该是一个好奇的观察家。”他常对学生说，“自然界的每一处精妙结构，都是经过亿万次试错优化后的‘专利设计’，是最好的教科书。”他鼓励学生从蝴蝶翅膀的结构色中思考光子晶体，从荷叶的超疏水性中探索界面科学。

他注重培养学生“从0到1”的原创能力。一位博士生试图模仿蜘蛛丝制备超强纤维，但初期制备的材料总是不尽如人意。俞书宏没有直接指导技术细节，而是问：“蜘蛛在吐丝时，环境和体内的条件是怎样的？你模拟的只是结果，还是整个过程？”学生恍然大悟，转而深入研究蜘蛛丝蛋白的折叠与纺丝动力学过程，最终在仿生制备上取得了突破。

俞书宏倡导“大科学”团队协作模式。他组建了跨化学、材料、物理、力学的交叉研究团队，鼓励不同背景的学生在项目中深度合作。“单一学科视角如同盲人摸象，交叉融合才能看清全貌，实现从模仿结构到理解原理再到超越自然的飞跃。”他培养的一大批青年才俊，已成为我国仿生材料领域的生力军。

03 战略前瞻：从“仿生”到“超生”，开辟材料新赛道

随着在仿生材料基础研究上建立起国际声誉，俞书宏开始思考更具战略性的问题：如何将实验室的“奇观”，转化为服务国家重大需求的“利器”？

他敏锐地指出，仿生材料的研究不能止步于“仿”，更要实现“超”——即利用对自然原理的深刻理解，设计创造出自然界不存在的、性能更优的新材料。他带领团队将仿生策略应用于多个关键领域：

在能源领域，他们受植物叶片脉络启发，设计出三维分级导电网络结构，用于制备高性能电极材料，极大提升了储能器件的功率密度和循环寿命。

在环境领域，他们模仿北极熊毛的中空结构，开发出超轻、超弹、高效隔热的凝胶材料，在节能建筑、航空航天隔热方面前景广阔。

在生物医用领域，他们借鉴骨骼的梯度结构和自愈合能力，研制出新一代仿生人工骨和可注射水凝胶，为组织修复提供了新选择。

“材料是制造业的基石，而仿生是材料创新的宝库。”俞书宏推动建立了“仿生材料”这一学科方向，并积极促进产学研合作。他团队研发的多种仿生材料已进入中试或产业化阶段，有望在高端装备、电子信息、生物医药等领域打破国外垄断。

04 思想引领：为“中国智造”注入自然智慧

当选院士后，俞书宏的视野更加宏阔。他担任合肥微尺度物质科学国家研究中心主任，致力于营造鼓励源头创新、勇闯“无人区”的科研生态。

他大力倡导“材料研究的范式变革”，即从传统的“试错法”、“炒菜式”研发，转向“理论预测-仿生设计-精准制备-性能优化”的理性设计范式。这一变革的核心，正是将自然的智慧、计算模拟的力量与先进的制备技术深度融合。

“我们正处在一个新材料可能井喷的时代，”俞书宏展望未来，“通过深度解读自然这本无字天书，结合人工智能和高通量制备，我们有望以前所未有的速度和精度，创造出满足未来社会需求的先进材料，为中国从‘制造大国’迈向‘创造强国’提供坚实的材料基础。”

在他的实验室里，一排排烧杯和反应釜中，正在“生长”着形态各异的未来材料。它们静默无声，却仿佛在诉说着一个理念：最高明的科技，往往始于最谦卑地向自然学习；最非凡的创新，往往孕育于最深刻的观察与模仿之中。

互动话题： 大自然中还有哪些神奇的结构（如蜂巢、蛛网、鸟喙等）给了你科技创新的灵感？如果仿生材料技术成熟，你最希望看到它被应用在生活中的哪个领域，解决什么痛点？欢迎在评论区分享你的奇思妙想！

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