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傅正义：《挖掘与利用材料的过程仿生制备新技术》
2026-03-13 13:24:00
作者：傅正义（中国工程院院士，武汉理工大学材料学科首席教授）
自然给我们启示的材料是近二十多年历研究的热点，包括荷叶的表面，很坚硬的贝壳，蝴蝶的翅膀颜色等功能，我们在实验室里面也都学习这些功能做出人工的材料。实际上，材料科学有几点，一个是我们把它制造出来，制造出来的材料就有这样的微结构，这样的微结构带来这样的性能，这是我们的人工材料。在自然界里面其实一模一样有一个生物制造过程，得到这样的生物结构，具有重要的性能，Bio—inspied materials，我们在自然界找特别有趣的功能，在实验室做出来。这是贝壳的结构，它的显微结构是这样，科学家在实验室里面做出这样的结构，跟它非常像。这样的结构具有非常好的性能，断裂韧性达到30，普通的陶瓷断裂韧性只有5、6，到10左右。它的强度是每一个单一强度的300倍以上。
蜘蛛丝，下完雨以后蜘蛛丝下面挂的像珍珠项链一样的挂珠，这是一个自然的蜘蛛丝，里面有纺锤结构，有连接段，水拉到连接段以后很快跑到纺锤，很快就变成像项链一样的挂住。连接和纺锤结构是不一样的，因此，它对水的人事行是不一样的。在实验室里也可以做出这样的结构，纺锤和连接，纺锤和连接的显微结构也可以和自然界做的一模一样的的做出人工的蜘蛛丝。这个蜘蛛丝放斤水里以后，水也是马上从连接的部分跑到纺锤部分，形成像戴的珍珠一样的挂珠形式。刚才前面的科学家讲了废水的处理，这是对水的收集是非常有帮助的科学现象。自然界有什么结构，我们也学习它，就可以得到这样的结构和功能。自然界的这些系统，它的制造过程也非常奇特。举个例子，这些贝壳、牙齿，这个生物制造过程都是在室温条件下形成，而在人工制造里面想烧出相当的陶瓷需要烧很高的温度。中国的古人能够做出很好的陶瓷，就是因为我们能够得到很高的烧级温度，那个时候可以得到1400度以上的烧级温度，室温可以做出这个温度，自然是不是值得我们需要？
所以我们提出一个新的研究方向，这些自然界天然的制造过程非常值得我们学习，来发展新的材料合成。我们在这个新的研究领域叫做过程仿生制备新技术方面，我们介绍几个很新的工作。意思是从天然生物系统的制备过程里面或者生物制造和生物结构的关系里面找到灵感和思想，我们叫inspired，我们之前讲了非常重要的领域是学习生物结构和性能与服役性能，更近几年我们提出的是学习生物制造和生物结构之间的关系。传统的陶瓷或者跟陶瓷有关的合成和制备技术都需要很高的温度，而自然界恰恰不要温度就能做出来。我们在这种自然过程的启发下，能不能发展室温的低温的制备技术？这是我们研究目标。主要开展了几个工作，一个是生物矿化启示的，光合作用启示的，还有其它生物过程启示的。
举个例子，我们把这个放在贝壳里面过几个月就可以长出珍珠，我们做了大量的工作，把陶瓷的一些前躯体放到贝壳，在天然的环境里面能不能合成陶瓷？可以的，这是一个非常有趣的工作，我们在贝壳里面找出了氮掺杂的二氧化碳，实验室需要400—600度的温度，而在贝壳的室温下合成的晶体的二氧化碳而且是氮掺杂的，由于是氮掺杂的二氧化碳具有很高的亲和性，而且我们发现在这个合成里面，导致二氧化碳能够合成的是细胞内的蛋白，我们在实验室里面用细胞内的蛋白指导在实验室里面不用贝壳也可以室温下合成的二氧化碳。过去在陶瓷工业里面，都是要400—600度的温度，我们借助天然贝壳指导珍珠形成的一个过程，我们在实验室里面形成这个过程室温形成的二氧化碳，这是非常好的工作。这个工作不是我做的，是别人做的，我是觉得非常有趣想跟大家介绍一下。
另外，大家知道蚯蚓，在很脏的泥巴里面都可以生存，也就是说它不怕重金属，它具有重金属的解毒能力，这位科学家做了非常有趣的实验，就是在泥巴里面混入重金属，让它吃进去。蚯蚓吃进重金属以后在它的体内发生我们不知道的反应，最后它的排泄物是一种量子点，我们在实验室要合成量子点也是很困难的事情，但是这么简单的天然生物过程，吃进含有重金属的物质，吃一天以后拉出来的产物里面就是量子点。我们可以研究它在里面到底怎么合成的，我们在实验室里面也可以采用这种办法合成量子点。这是另外一个，我的学生在实验室里面做的工作，在一个细胞表面展示蛋白，蛋白指导合成了一个纳米二氧化钛，运行了5000次以后基本没有衰减，非常好的电池，电极的稳定性。这个工作是我们近期完成的，这样漂亮的周期性结构在实验室里面是很难人工做出来的，但是我们学习自然的过程，就可以做出很漂亮的这样的周期结构。
最后，光合作用，我们知道太阳光一照植物就把二氧化碳和水转化成糖和氧气，也就是太阳一照它就反应，它就合成。我们一致提出来一个愿景，就是太阳照一照植物能够合成糖和氧气，太阳照一照我们设定的某一种原始物质，能不能合成材料呢？这是一个我们很远期的目标。光合作用有两个重要的光合作用过程和电子传输过程，我们就说光合作用是光合系统，利用光系统和光生电子和空穴，能不能照一照就合成材料呢？这是一个想法。这个我只是简单说一下，我们用太阳光一照的光生电子就合成这样一种材料，这是光电子诱导。光生空位也可以诱导合成我们所谓的某一种化学物质，也具有很好功能特性。未来我们的预期，刚才说光合作用是太阳一照植物就发生光合作用，未来太阳一照物质就可以合成我们需要的材料。这是我们的结论，这两个方面，一个是仿生材料，一个是各种过程仿生的制备新技术。
作者介绍：
傅正义：高性能陶瓷材料专家，中国工程院院士、世界陶瓷科学院院士、俄罗斯工程院外籍院士，武汉理工大学材料学科首席教授，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任，享受国务院政府特殊津贴，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“百千万人才工程”第一、第二层次入选。兼任：中国建筑材料联合会首席专家，国家863高技术计划新材料领域结构材料主题组专家，总装备部先进材料技术专家组专家，国务院学位委员会学科评议组成员，全国博士后管委会专家组成员，湖北省政协委员。曾担任武汉理工大学新材料研究所副所长、武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副主任、武汉理工大学新材料研究所所长、武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任等职。傅正义院士长期从事高性能陶瓷与多功能复合材料研究，开发的多种新材料在高技术产业、现代工业和国防工业中实现应用。出版著作4部，授权发明专利90项，先后发表论文400篇；先后获得国家技术发明二等奖2项、国家科技进步三等奖1项、省部级科技与教学奖励一等奖7项。获美国陶瓷学会John Jeppson奖、Samuel Geijsbeek国际奖、Ross Coffin Purdy奖、国际材料联合会年度奖、俄罗斯工程院“工程勋章”等9项国际奖励；荣获全国师德先进个人、全国优秀科技工作者、首届全国创新争先奖等荣誉。
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