在刚刚召开的2014年度上海市科学技术奖励大会上，上海交通大学的张荻教授及其团队，以“基于生物分级精细结构的材料功能特性研究”项目，获得自然科学奖一等奖。

 

　　具有分级结构的功能材料是材料科学领域中的一类新型材料。这种材料在微、纳米连续尺度范围内具有复杂的形态结构并呈现多层次分布，而其特有的微观形态结构也提供了独特功能特性的可能。传统物理化学的制备方法对多尺度和多层次的纳米材料存在一定的局限性。张荻教授团队近年来提出的思想，为解决这一问题提供了新的技术路线。借团队此次获奖的机会，我们采访了张荻教授和他的团队。

 

　　张荻教授是上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室主任，他的主要研究方向是金属基复合材料。在我国的首辆月球车“玉兔号”上，用于在月球表面行走的棘爪就是由张教授团队研制的。不过此次获奖项目所研究的内容，严格来说并不属于复合材料的范畴。

 

　　复合材料性能的好坏，取决于复合物的增强体在基体中是否均匀分布，这是复合材料领域形成的共识性原则。然而，在常年的研究过程中，张教授逐渐产生了一个新的问题，“为什么一定要均匀？”这位“文革”期间在农村做过“知青”的科学家联想到了枣木，既硬又韧，但它的内部并不均匀。自然界这样的例子比比皆是，竹子、骨头、贝壳……不均匀是常态，均匀反而是非常态。这些自然界的材料性能要比人工制造的复合材料好很多。“能不能把碳化硅增强体和铝的结合，做成枣木一样的结构。”

 

　　在2003年前后，张荻着手将这一想法付诸实践。

 

　　这一思路的实现，按照传统的思维，人们会想到仿生手段，先研究清楚枣木的成分和结构，然后仿而制之。但是木材看似简单的结构，完全理解其内部结构却并非易事。

 

　　况且，结构上的细微差别，可能带来性能上的巨大不同。这一点在动物身上表现的尤为突出。以蝴蝶为例，全球有17万余种之多。全球各地的蝴蝶成分大致相同，结构、属性却因地理环境的变化差别很大。炎热地带的蝴蝶，颜色通常较为鲜艳，翅膀具有反射光的功能；寒冷地带的蝴蝶，颜色通常是黑色的，而且能够吸收大量的光。用仿生的手段，很难仿造出类似的结构，更难模仿出不同种类蝴蝶之间由于结构细微差异而带来的巨大功能差异。

 

　　但这些功能是人们所希望得到的。吸光储能器件，是能源领域的一大创新热门，就是和寒冷地带蝴蝶翅膀一样功能的材料。按照复合材料研制的常规思路，吸光储能，首先要找到一种能够保温的材料，然后以某种结构做成太阳能电池板。而蝴蝶能够做到吸光储能，与其本身成分有关，还与其身上特殊的坑坑洼洼的结构有关――这样的结构能够把光吸收然后多次反射。

 

　　经过漫长进化的蝴蝶结构，无疑是最经济、最高效的一种结构。如果太阳能电池板可以做成蝴蝶翅膀一样的结构，电池的效率一定能发挥到最大。但问题在于，人们对蝴蝶翅膀结构的认识还远没有透彻。这成了模仿蝴蝶吸光功能的一条深壑。

 

　　“既然如此，为什么不直接利用自然界已经进化出来的结构？”仿造蝴蝶结构的路线走不通，“那我们抓一只蝴蝶过来，把做太阳能电池的材料，注入蝴蝶的翅膀，这样太阳能材料不就具有蝴蝶的吸光结构了吗？”不去管蝴蝶翅膀到底是什么结构，直接将别的材料置换蝴蝶的材料――形是，物非，功能还在，目的同样达到了。

 

　　这种看似大胆的想法，其实在大自然中早已存在。远古生物体的组织和结构能够在漫长的地质年代里逐渐转化成无机材质，进而被完好地保存在化石中，就是人们熟悉的“化石化”过程。人为操控“化石化”的过程，既能保持生物材质的形体和结构，又能精确、可控地将生物有机质转化成为实际应用的功能材料。只不过自然化石的形成经历百万年甚至更长时间，在实验室中的“化石化”显然需要新的方法。

 

　　国际上其实也有一些零星的研究。在上世纪末，一些研究者发现，他们可以利用天然生物系统中的有机组织，例如：木材、黄麻、硅藻土及鱼鳞等,通过工艺控制，直接转化为复制了原有结构形态的无机陶瓷材料。通过这些实验的成功，人们认识到自然界“化石化”的时间尺度变化也许并不是不可能。

 

　　对于蝴蝶之类动物的身体结构的处理却还很少见。为此，张荻带领他的团队，从多种自然材料着手，开始置换。他们开发了一种通用方法，可以快速、低成本地将蝴蝶鳞片结构转化为至少7种常见重要金属。而具有了蝴蝶鳞片结构的这些材料，具有了新的特性。

 

　　基本原理是什么？“和‘化石化’的原理一样，简单的说，就是高中化学课本中的‘置换反应’，”张荻这么简单地说道。但是具体的实施可想而知要复杂的多，化学溶液浸渍、声化学处理法、溶剂热复合法等等，都是极其复杂的现代物理化学方法。不管是通过哪一种方法，“在置换的反应过程中，蝴蝶原有的结构不会发生改变，这就是我们的关键技术，也是我们获得自然科学奖的重要原因。”

 

　　2008年，在第一篇文章发表之后，张荻团队的研究迅速在材料领域引发了“蝴蝶效应”。

 

　　美国《半导体》评价说，“蝴蝶表面上一些微型结构是一种高效的太阳能收集器或者太阳能模块……上海交通大学的张荻教授以及他的同事，正在寻找一种新的材料来改善太阳能电池的光采集性能。”而这篇报道的标题更是一语双关：“促进光伏研究的蝴蝶效应”。

 

　　《自然》杂志的highlight评价说，“由于蝴蝶和蛾有175,000种可供选择，材料科学家们可以在亚微米水平上建立起一个具有完整三维结构的宝库。这些纳米结构具有大量潜在应用，如光子晶体设计。”英国牛津大学教授、伦敦自然史博物馆动物学部负责人Andrew Parker评论道：“我认为这非常具有原创性，他们正致力于将具有复杂三维结构的蝶翅构造用于应用研究。”加拿大的探索频道专程派摄制组来上海交大拍了相关纪录片并向全球播放。

 

　　然而这一现在看来极具前景的研究方向，虽然曾有研究者偶尔会涉及，但是真正建立团队去做的并没有。在很多人还困限于“了解清楚物质的结构再去仿生利用”时，他们已经“先做起来再说”。张荻团队从他们其他复合材料的项目中，划分出了一部分精力开始了这一新方向的研究。

 

　　当这一研究理念得到认可，成为一门显学，取名成为了极重要的事情。“名称我们就想了半年”，“用‘仿生材料’也不确切。”它不是仿生物体骨骼、仿生空心材料等模仿生物结构或者形态的；也不是模仿蜘蛛丝的超韧纤维或者模仿壁虎脚高黏附性的仿生材料等模仿生物特殊功能的。它对于生物体的结构并没有“仿”而是直接“用”。

 

　　“后来就想到了遗态这个词”，这个词是“遗传”和“形态”二者的组合，“遗传”生物体的“形态”。而他们做的工作，就是忠实保存原有生物模板的精细结构，并将其原有生物体有机材质转换成研究者需要的功能材料。张荻团队所造出的这一新词，在过去的十年中已经陆续被接受。比如在中国知网上以“遗态材料”为关键词搜索，就能搜到大量的学术文章。

 

　　在中国知网上，我们以“遗态材料”为主题词搜索到的最早一篇文章，是张荻团队2004年7月在《中国科学E辑工程科学材料科学》发表的《遗态材料的制备及微观组织分析》（2003-11-15收稿,2004-05-27收修改稿）。在这篇文章中，作者张荻、孙炳合、范同祥，定义了区别于仿生材料的遗态材料概念，“由生物的形貌和结构向新型材料的转化和处理过程，称为材料的遗态过程，得到的新型材料可称为遗态材料。”

 

　　根据遗态这个词，他们又提出了对应的英文名词Morphology Genetic Materials。据说在一次就遗态材料申请国家基金委的项目基金时，张荻团队不知是否可以用遗态这一新的概念，基金委回复说，只要在国际期刊上发表过文章，国际上已经认可了这样的名字，那就可行。因为文章已经发表过，所以这一新名词在国家基金委的项目中得以成立。事实上国际最大的科技出版社springer在2011年出版张荻团队遗态材料的新书时，就欣然接受了这一新造的概念，书名为Morphology Genetic Materials Templated from Nature Species，该书中文版名称《自然启迪的遗态材料》，则在稍后的2012年面世。

 

　　经历过从无到有提出一个概念过程的张荻教授，深谙创新在科研中的重要。“很多人都在讲这个事情能不能做出来，但其实，不怕做不出来，就怕想不出来。”他如此说。“别人做不出来你能做出来的时候，虽然也是一种成绩，但已经是晚了一步了，因为已经有人‘想’在了前头。”

 

　　当然创新者也会面临跟进者不会面临的问题，比如身份问题。在传统的物理、化学、生物或者材料的学科定义中，“遗态材料”似乎有点“格格不入”。“这些领域我们都涉及，但与各学科传统的研究范畴都不那么契合，”张荻说，“不过这不要紧，需要哪方面的人才我们就招哪方面的学生，我们小组里有生物、物理、化学、金属、电镜分析等各个领域出身的。”

 

　　在十余年的探索中，张荻团队以棉花为模板研制遗态氧化铝和氧化锡、以木材为模板制备二氧化钛、以硅藻为模板、以细菌为模板……按照张荻言简意赅的总结，就是，“有什么要求，就找类似功能的生物，把它的组分抽掉，换进去我们要的组分。”只要具备了这种思想，技术实现都不是难事。在张荻团队的讨论会中，经常用这样的一句话做总结：敢上九天揽月，敢下五洋捉鳖。听起来颇豪迈但恰如其分。

 

　　“并不是说我们团队一定要有所有方面的人才，我们可以和外部合作，可以聘请其他领域的技术专家合作实现想法。”根据张荻的介绍，日本同步辐射光源中心为他们的团队专门建设了一个工作站。“我们样品过去，随到随做。因为他们认可我们的思想。”截至目前，张教授团队与英国、法国、德国、韩国、俄罗斯及美国的大学和研究所都建立有密切的合作。

 

　　同样地，其他领域的专家也需要张荻团队的配合。“我们一年在国际上至少做10个特邀报告，至少20人次出去交流。”在笔者致电张荻教授希望采访的时候，张教授的日程满满，他马上要去迪拜，回来后短暂停留去美国，然后去以色列，然后去加拿大，然后去日本，然后去丹麦。越来越多的人注意到了他们的研究，越来越多人希望借鉴他们的学术理念。

 

　　在2004年发表的第一篇关于遗态材料的文章的结语处，作者张荻等人写道，“许多问题仍处于探索阶段，并有待进一步深入的研究探讨。”在2014年度的自然科学奖评语中，有着对应的一句话，“在国内外率先提出遗态材料的学术思想，为新材料构型设计提供了前瞻性思路、数据库和原理论证。”经过10年，这一新的技术路线得到了越来越多人的认可，正在从探索走向成熟。

　　“那我们抓一只蝴蝶过来，把做太阳能电池的材料，注入蝴蝶的翅膀，这样太阳能材料不就具有蝴蝶的吸光结构了吗？”

 

　　“有什么要求，就找类似功能的生物，把它的组分抽掉，换进去我们要的组分。”