未来材料长什么样？从生物界找答案

铁甲虫为什么能够承载自身体重近40000倍的重量？贝壳为什么硬而不脆，具有很高的韧性？蝴蝶表面的光泽是如何实现的？……

中国科学院院士、上海交通大学教授张荻带领团队，通过“向自然学习”，提出了“遗态复合材料”的新概念。

“遗态”是“遗传”和“形态”的组合，指保存生物本身的精细结构特征，并将其中的原理和思想转换成有应用价值的功能材料。

多年来，张荻团队建立了一套秉承自然精细构型的新型复合材料构筑方法，创制了系列具有生物精细构型的新材料，并发现了构型与组分耦合的新现象，为材料的生物构型化复合研究提供了新方法。

“经过亿万年的进化，自然界的生物拥有奇妙的精细构型，展现出令人赞叹的优异性能。”在2024浦江创新论坛的分论坛“未来材料：交叉创新与可持续发展”上，张荻教授介绍了团队在“遗态复合材料”方面取得的诸多进展。

张荻院士。图片由主办方提供

贝壳具有独特的微纳砖砌结构，组分简单、结构精细，但能够兼具强度与韧性。基于此，张荻团队提出了“微纳砖砌构型化金属复合材料”的学术思想和技术原型，以应对金属基复合材料增强体和基体本征性能差异大、形变易局域化，导致材料强韧性失配这一难题。

团队创制的仿贝壳的微纳砖砌构型的纳米碳/铝基复合材料，大幅提高了铝基复合材料的强韧性，并将应用于航空航天和交通等重要高端装备领域。2011年以来，国内外110余个研究团队借鉴并采用了这一独特的微纳砖砌构型化复合方法，制备了纳米碳、石墨烯增强铝、钛、镁、铜、镍等金属基复合材料。

类似地，张荻团队也通过观察蝴蝶，创制了蝶翅构型的新型材料与器件，并应用于吸光储能器件中。另外，水生褐藻在细胞壁内进化出了独特的快速离子通道，能够在海水中高效地捕集金属离子，这一特点则可应用于电容储能领域中。目前，团队已经构建了涵盖3大类动植物共50余种的遗态构型化复合材料。

他们构筑了集三维、跨尺度、集成化、宏量化特征为一体的遗态复合材料体系，并在太阳能电池、人工光合作用、超材料、电磁屏蔽等诸多领域进行了验证。

“我们的学术思想和方法，已经得到了30多个国家的500多个研究团队的接受和验证，促进了生物、化学、物理及材料计算科学等多学科的交叉。”张荻表示。