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【中国科学报】中科院仿生材料与界面科学重点实验室:搭建生物与材料研发的桥梁
发表日期: 2017-11-20
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实验室一角。

  ■本报见习记者 高雅丽 

  自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。经过长期进化,生物形成了优异的功能和完美的结构,蜘蛛和蚕能吐出高弹性的丝,荷叶出淤泥而不染,飞鸟骨骼系统具有质量轻、强度大的构造形态……自然界的奇妙创造,对中科院理化所仿生材料与界面科学重点实验室的科研人员来说,是研发新材料的“灵感源泉”。

  历史短、成就突出的“A类”实验室 

  2014年,在中科院院士江雷的推动下,中科院理化所成立仿生智能界面科学中心;2016年8月,中科院正式批准成立仿生材料与界面科学重点实验室。2017年中科院开展材料领域院重点实验室评估,“历史短”的仿生材料与界面科学重点实验室被评为第二名,成为全院三个A类重点实验室之一。

  仿生材料与界面科学重点实验室副主任、中科院理化所研究员王树涛对《中国科学报》记者说:“仿生领域由于其特殊的学科交叉性,中科院动物研究所、生物物理研究所、国家纳米科学中心、苏州纳米技术与纳米仿生研究所也参与了筹建工作。”

  近5年来,实验发表SCI收录论文200余篇,编写专著或章节5篇,申请专利33项,授权46项;2012~2016年期间,实验室共承担国家、省部级以及横向协作项目101项。

  王树涛表示,实验室在仿生超浸润多尺度界面材料领域享有世界领先的学术地位,截至目前,全世界有140个国家的大学和研究所中近500个课题组从事超浸润性的研究。

  在实验室有一间专门的屋子,留给“客座人员”开展工作使用。王树涛说:“实验室的‘开放氛围’非常重要,我们属于新型交叉实验室,会涉及物理、生物、医学等学科,没有明显界限,希望有来自各个学科的科研人员共同工作。”现在,每到周末都会有来自不同单位的专家到实验室开展研究。

  王树涛说:“科学和讨论是一直在一起的,在相互尊重知识产权的前提下,开诚布公地讨论往往会产生碰撞和新的想法,例如有一次我和汪鹏飞老师想把癌症检测和光疗结合起来,形成新的课题。独特的咖啡厅文化——自由讨论且尊重知识产权,实验室一直留着很大的窗口,期待更多的自由讨论,期待更多的科技创新。”

  “无处不在”的仿生材料 

  仿生材料是一门新兴学科,实验室致力于在交叉科学领域从事仿生界面材料的合成与制备方面的研究。

  对于“仿生材料”,王树涛解释道:“我们通过研究自然生物的构造和特性,为新材料研发提供思路。例如在衣服上经常使用的粘扣带,拉动的时候会有刺啦响声。为了消除响声,我们从蜻蜓脑袋和肩膀的构造获得灵感,将来可以制作出更加先进的粘扣。”

  荷叶“出淤泥而不染”,是具有“超浸润特性”的自然界杰出代表。2002年,江雷等发现了荷叶表面的微纳多尺度复合结构对荷叶的超疏水及自清洁起到了关键作用。同时通过系统研究界面材料结构和特性规律,江雷提出了“纳米界面材料的二元协同效应”,创造性地将仿生微纳米复合结构与外场响应性分子设计相结合,实现了在单一或多重外场控制下材料表面浸润性的可逆变化。

  2009年,江雷院士团队发现了鱼鳞水下的超疏油特性,发展了水下液/固超浸润体系;同年,发现荷叶水下超亲气现象,建立了水下气/固超浸润体系;2014年,江雷院士将超疏水界面材料拓展到液—液—固、气—液—固等一切三相体系中,创建了包含64种变换的仿生超浸润界面材料体系。

  江雷院士团队经过近二十年的努力,理论上深入挖掘表面浸润本质。传统上杨氏方程认为液体与材料之间有本征的亲和疏的阈值为90度。他们的研究发现,水的阈值是65度左右,水的接触角大于65度是疏水,同时也在应用上取得了可喜的进展。例如,超疏水材料在服装面料上的应用,自清洁的鄂尔多斯羊绒衫、防水的西服,都是“仿荷叶”的成果。国家大剧院玻璃外墙采用了“纳米自洁玻璃”,即让玻璃穿一层纳米级二氧化钛“外套”,从而使玻璃具有自洁、消毒、杀菌等功能,这也正是实验室的研究成果之一。

  不仅在国内,实验室的研究也走向了国际,“巴基斯坦的核电站用到的油水分离的器件就是我们实验室的研究。”王树涛说。

  前沿交叉领域大有可为 

  在三年多的发展中,实验室拥有坚实的科研团队和人才培养计划。目前实验室固定人员49人,百分之百拥有博士学位,平均年龄不到41岁。经过多年的学科培养和队伍建设,实验室基本形成了以中青年科技骨干为主的研究集体和团结协作的研究氛围。

  在 “一带一路”国家顶层战略及“大目标牵引下的集成创新”思路指引下,实验室有了新的发展规划。未来,实验室将主要面向国家战略需求和世界科技前沿,围绕仿生材料与界面科学这一前沿交叉领域,产生一系列多学科交叉的原创性科学与技术,争取在仿生智能界面材料、仿生纳米孔道、诱导去浸润、仿生黏附界面、仿生多尺度界面构筑等基础研究方面取得原创性的基础理论研究成果。

  同时,实验室还会兼顾应用成果转化。王树涛说:“例如针对农药喷洒利用率低的问题,我们研究了一种超浸润制剂,可以将喷洒铺展效率从不足0.1%提升到50%左右。在去浸润诱导制备有机光电器件、新能源纳米器件等应用方面,我们也会作出重大技术创新,解决能源、资源、环境、健康、信息、农业、化工等众多行业领域发展的技术瓶颈,满足国民经济和国防建设的重大需求。”

《中国科学报》 (2017-11-20 第6版 院所)
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