來自貝殼的啟示
——記湖南大學材料科學與工程學院教授王建鋒

本刊記者　劉 旭

王建鋒（左）博士畢業(yè)時和導師江雷院士合影

天然生物材料是生物體為適應環(huán)境，經歷億萬年的演變和進化形成的，其結構和功能已達到近乎完美的程度。受自然界生物啟發(fā)，利用新穎的合成策略和源于自然的仿生原理來設計合成新材料，已成為化學、材料、生命和力學等學科交叉領域的前沿熱點。

在眾多的天然生物材料中，貝殼因具有的獨特結構、良好的強度和優(yōu)異的韌性更是受到了研究者們的廣泛關注。來自湖南大學材料科學與工程學院的教授王建鋒就是一位不折不扣的“貝殼迷”。

北上尋夢

談起與貝殼如何結緣，得從王建鋒在企業(yè)的一段工作經歷說起。在湖南大學一口氣完成了本科和碩士階段的學業(yè)后，“80后”王建鋒與很多年輕人一樣來到北京開始闖蕩，就職于北京天奈科技有限公司（以下簡稱“天奈”）。碩士期間，在納米管的功能化及其聚合物復合材料研究上，王建鋒已有一定積累，延續(xù)那時的研究方向，在天奈他專攻碳納米管分散方面的產業(yè)化技術開發(fā)工作。

王建鋒向記者介紹：“當時，公司實現了碳納米管粉體的批量生產，由于高長徑比和優(yōu)異的本征導電能力，碳納米管在理論上是一種理想的鋰離子電池導電劑，優(yōu)于傳統(tǒng)的炭黑導電劑。”但投入到實際應用中，碳納米管粉體的表現卻差強人意，主要是由于其分散問題未得到有效解決，極大制約了其性能的發(fā)揮。

“碳納米管的性能要充分體現出來，必須要分散好，而且與現有的鋰電池工藝流程兼容，這需要將碳納米管粉體有效分散在有機溶劑中，以制備成高濃度、高穩(wěn)定的碳納米管漿料。”王建鋒告訴記者。為實現這樣的目標，滿足產業(yè)上的需求，從2008年6月進入公司開始，直到2010年8月離開，兩年多的時間內，王建鋒一頭扎進了液相剝離分散碳納米管的技術攻關中去。在公司團隊成員的共同努力下，他們最終成功開發(fā)出了富有特色的碳納米管導電漿料制備技術，這項技術將碳納米管粉體成噸批量轉化為高濃度、高穩(wěn)定、高分散的碳納米管漿料，大大推動了碳納米管作為導電添加劑在鋰電池中的應用。

在天奈工作的兩年，王建鋒雖然收獲頗豐，但同時他也覺察出了自己在知識上的匱乏。“一些納米材料具有非常好的本征性能，但是將它們制備成宏觀材料后，其性能就往往不盡如人意了。”王建鋒說。隨著工作的推進，越來越多的瓶頸開始出現，尤其是材料微觀結構設計與控制上存在的難題，更是讓王建鋒感到束手無策。

深感知識的欠缺，王建鋒決定重返學校，希望通過深入的學習補足納米復合材料的結構設計與控制這方面的短板。于是他辭去了在天奈的工作，慕名報考了國際頂尖仿生材料科學家、中國科學院院士江雷教授的博士生，進入北京航空航天大學繼續(xù)深造，與貝殼的結緣也從那時開始。

向貝殼要靈感

“貝殼實際上是一種陶瓷材料，普通的陶瓷杯子或者碗掉在地上就碎了，但貝殼不會。因為貝殼在具備了一些好的力學強度的同時，還有比較好的韌性，這是由貝殼內部復雜有序的微觀結構決定的。”王建鋒介紹說，“它是一種層狀結構，類似于我們砌的墻壁，是一層磚一層水泥這樣的磚泥結構。我們研究的目的就是要仿照這種結構來合成制備一些高性能材料。”

進入北航后，在江雷院士的指導下，針對仿生納米疊層復合材料尤其是仿貝殼材料，王建鋒開展了深入研究。當時研究的基本思路是，通過了解天然貝殼復雜有序的疊層結構，進而理解這種結構與力學性能之間的關系；在此基礎上，基于一維或者二維的納米材料，設計創(chuàng)造各種疊層結構，研究其力學和功能特性，希望將納米材料在納米尺度下的優(yōu)異性能最大程度地在宏觀材料上體現出來，甚至去實現材料多個功能特性的集成。

受貝殼豐富疊層結構特征的啟發(fā)，通過不斷地鉆研，目前王建鋒已仿生設計并構筑了多維度疊層、粗糙片疊層、多尺度疊層和柱狀表面疊層結構，并揭示了這些疊層結構與力學、水下油滴浸潤性之間的內在聯系，大幅提升了輕質高強納米復合材料的強度、韌性、耐疲勞性以及超浸潤界面材料水下超疏油低粘附性能的穩(wěn)定性。進一步通過將貝殼疊層結構的設計理念運用于納米復合水凝膠和石墨烯薄膜體系，王建鋒設計并構筑了均勻疊層、多級疊層、非對稱疊層和高致密疊層結構，并揭示了這些疊層結構與力學、智能驅動、導電、導熱性能之間的內在聯系，實現了納米復合水凝膠模量、強度、韌性和驅動性能以及石墨烯薄膜導電和導熱性能的突破，這些疊層結構設計理念和所揭示的構效關系為今后推動相關材料的發(fā)展提供了豐富的理論基礎。

截至2017年，王建鋒已在Chem Soc Rev、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano等材料化學類SCI期刊上發(fā)表論文23篇，累計影響因子240，IF＞10的論文10篇，總引用超過900次，單篇引用超過100次4篇，被web of science評為高被引論文2篇，封面報道4篇，申請美國專利1項，中國專利7項。

這些成果的取得，離不開王建鋒多年的堅持。從2010年開始，無論是在北航期間，還是在美國德克薩斯大學達拉斯分校納米技術所做訪問學者期間，他對于仿貝殼材料的研究一直沒有停止過。通過在優(yōu)秀課題組里的磨練，通過與國外學者的交流，加之國家自然科學基金青年項目“仿貝殼構建強韌一體化層狀多尺度復合材料”的支持，王建鋒闖過了科研道路上的一個個難關。

在科研上如此堅持的王建鋒，同時也是一個顧家的“80后”。當談及他的興趣愛好時，他回答說：“照顧父母和帶小孩。”正因為有這份牽掛，在導師江雷院士的支持下，他2017年11月回到離家近的湖南大學任教。

湖南大學雖是王建鋒的母校，但是對于事業(yè)剛在這里起步的他來說，一切都得從零開始。“會遇到什么困難事先都考慮過，但學院給了我極大的支持，目前一切工作進展得很順利。”王建鋒告訴記者。

目前，王建鋒正積極組建仿生納米復合材料實驗室。他將繼續(xù)開展仿生納米疊層復合材料方面的研究工作，他認為納米疊層復合材料將朝著結構設計精細化、可控制備連續(xù)化、多功能集成化方向深入發(fā)展。談到具體的計劃時，他說：“針對具體的應用場景，研究將基于多種納米構筑單元，創(chuàng)造新型納米疊層結構并實現連續(xù)可控組裝，最大程度整合納米構筑單元各自的優(yōu)異特性，實現宏觀材料力學性能和功能性的高度集成，這是納米疊層復合材料今后的發(fā)展趨勢，也是下一步的主要研究方向。”

一路走來有兩個人對王建鋒的影響最大。國家“千人計劃”專家、北京天奈科技有限公司時任總經理李琦博士是其中一位。他身上的工匠精神深深感染了王建鋒。從他身上，王建鋒學會了腳踏實地，也養(yǎng)成了這樣的工作習慣。另一個是他的博士導師江雷院士，在科研上江院士給了他極大的幫助，在他那里王建鋒學到了科學的思維方式。談起自己的恩師，王建鋒很感激，他說：“感謝我的老師們，感謝這些美好的經歷！今后我將會繼續(xù)以腳踏實地的精神和科學的思維方式對待我的每一項工作，努力把工作做得更細致、更系統(tǒng)，真正地在實際中應用起來。”

對于未來，王建鋒不急不躁。雖然項目的申請競爭很激烈，但他覺得這是好事，可以更好地督促自己。他說：“其實最重要的還是自己能夠做一些真正有用的成果出來。只要自己做好了，我相信這些東西都會水到渠成，年輕人得拼一把！”