来自贝壳的启示——记湖南大学材料科学与工程学院教授王建锋

本刊记者　刘 旭

王建锋（左）博士毕业时和导师江雷院士合影

天然生物材料是生物体为适应环境，经历亿万年的演变和进化形成的，其结构和功能已达到近乎完美的程度。受自然界生物启发，利用新颖的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成新材料，已成为化学、材料、生命和力学等学科交叉领域的前沿热点。

在众多的天然生物材料中，贝壳因具有的独特结构、良好的强度和优异的韧性更是受到了研究者们的广泛关注。来自湖南大学材料科学与工程学院的教授王建锋就是一位不折不扣的“贝壳迷”。

北上寻梦

谈起与贝壳如何结缘，得从王建锋在企业的一段工作经历说起。在湖南大学一口气完成了本科和硕士阶段的学业后，“80后”王建锋与很多年轻人一样来到北京开始闯荡，就职于北京天奈科技有限公司（以下简称“天奈”）。硕士期间，在纳米管的功能化及其聚合物复合材料研究上，王建锋已有一定积累，延续那时的研究方向，在天奈他专攻碳纳米管分散方面的产业化技术开发工作。

王建锋向记者介绍：“当时，公司实现了碳纳米管粉体的批量生产，由于高长径比和优异的本征导电能力，碳纳米管在理论上是一种理想的锂离子电池导电剂，优于传统的炭黑导电剂。”但投入到实际应用中，碳纳米管粉体的表现却差强人意，主要是由于其分散问题未得到有效解决，极大制约了其性能的发挥。

“碳纳米管的性能要充分体现出来，必须要分散好，而且与现有的锂电池工艺流程兼容，这需要将碳纳米管粉体有效分散在有机溶剂中，以制备成高浓度、高稳定的碳纳米管浆料。”王建锋告诉记者。为实现这样的目标，满足产业上的需求，从2008年6月进入公司开始，直到2010年8月离开，两年多的时间内，王建锋一头扎进了液相剥离分散碳纳米管的技术攻关中去。在公司团队成员的共同努力下，他们最终成功开发出了富有特色的碳纳米管导电浆料制备技术，这项技术将碳纳米管粉体成吨批量转化为高浓度、高稳定、高分散的碳纳米管浆料，大大推动了碳纳米管作为导电添加剂在锂电池中的应用。

在天奈工作的两年，王建锋虽然收获颇丰，但同时他也觉察出了自己在知识上的匮乏。“一些纳米材料具有非常好的本征性能，但是将它们制备成宏观材料后，其性能就往往不尽如人意了。”王建锋说。随着工作的推进，越来越多的瓶颈开始出现，尤其是材料微观结构设计与控制上存在的难题，更是让王建锋感到束手无策。

深感知识的欠缺，王建锋决定重返学校，希望通过深入的学习补足纳米复合材料的结构设计与控制这方面的短板。于是他辞去了在天奈的工作，慕名报考了国际顶尖仿生材料科学家、中国科学院院士江雷教授的博士生，进入北京航空航天大学继续深造，与贝壳的结缘也从那时开始。

向贝壳要灵感

“贝壳实际上是一种陶瓷材料，普通的陶瓷杯子或者碗掉在地上就碎了，但贝壳不会。因为贝壳在具备了一些好的力学强度的同时，还有比较好的韧性，这是由贝壳内部复杂有序的微观结构决定的。”王建锋介绍说，“它是一种层状结构，类似于我们砌的墙壁，是一层砖一层水泥这样的砖泥结构。我们研究的目的就是要仿照这种结构来合成制备一些高性能材料。”

进入北航后，在江雷院士的指导下，针对仿生纳米叠层复合材料尤其是仿贝壳材料，王建锋开展了深入研究。当时研究的基本思路是，通过了解天然贝壳复杂有序的叠层结构，进而理解这种结构与力学性能之间的关系；在此基础上，基于一维或者二维的纳米材料，设计创造各种叠层结构，研究其力学和功能特性，希望将纳米材料在纳米尺度下的优异性能最大程度地在宏观材料上体现出来，甚至去实现材料多个功能特性的集成。

受贝壳丰富叠层结构特征的启发，通过不断地钻研，目前王建锋已仿生设计并构筑了多维度叠层、粗糙片叠层、多尺度叠层和柱状表面叠层结构，并揭示了这些叠层结构与力学、水下油滴浸润性之间的内在联系，大幅提升了轻质高强纳米复合材料的强度、韧性、耐疲劳性以及超浸润界面材料水下超疏油低粘附性能的稳定性。进一步通过将贝壳叠层结构的设计理念运用于纳米复合水凝胶和石墨烯薄膜体系，王建锋设计并构筑了均匀叠层、多级叠层、非对称叠层和高致密叠层结构，并揭示了这些叠层结构与力学、智能驱动、导电、导热性能之间的内在联系，实现了纳米复合水凝胶模量、强度、韧性和驱动性能以及石墨烯薄膜导电和导热性能的突破，这些叠层结构设计理念和所揭示的构效关系为今后推动相关材料的发展提供了丰富的理论基础。

截至2017年，王建锋已在Chem Soc Rev、Angew Chem Int Ed、Adv Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano等材料化学类SCI期刊上发表论文23篇，累计影响因子240，IF＞10的论文10篇，总引用超过900次，单篇引用超过100次4篇，被web of science评为高被引论文2篇，封面报道4篇，申请美国专利1项，中国专利7项。

这些成果的取得，离不开王建锋多年的坚持。从2010年开始，无论是在北航期间，还是在美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米技术所做访问学者期间，他对于仿贝壳材料的研究一直没有停止过。通过在优秀课题组里的磨练，通过与国外学者的交流，加之国家自然科学基金青年项目“仿贝壳构建强韧一体化层状多尺度复合材料”的支持，王建锋闯过了科研道路上的一个个难关。

在科研上如此坚持的王建锋，同时也是一个顾家的“80后”。当谈及他的兴趣爱好时，他回答说：“照顾父母和带小孩。”正因为有这份牵挂，在导师江雷院士的支持下，他2017年11月回到离家近的湖南大学任教。

湖南大学虽是王建锋的母校，但是对于事业刚在这里起步的他来说，一切都得从零开始。“会遇到什么困难事先都考虑过，但学院给了我极大的支持，目前一切工作进展得很顺利。”王建锋告诉记者。

目前，王建锋正积极组建仿生纳米复合材料实验室。他将继续开展仿生纳米叠层复合材料方面的研究工作，他认为纳米叠层复合材料将朝着结构设计精细化、可控制备连续化、多功能集成化方向深入发展。谈到具体的计划时，他说：“针对具体的应用场景，研究将基于多种纳米构筑单元，创造新型纳米叠层结构并实现连续可控组装，最大程度整合纳米构筑单元各自的优异特性，实现宏观材料力学性能和功能性的高度集成，这是纳米叠层复合材料今后的发展趋势，也是下一步的主要研究方向。”

一路走来有两个人对王建锋的影响最大。国家“千人计划”专家、北京天奈科技有限公司时任总经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锋。从他身上，王建锋学会了脚踏实地，也养成了这样的工作习惯。另一个是他的博士导师江雷院士，在科研上江院士给了他极大的帮助，在他那里王建锋学到了科学的思维方式。谈起自己的恩师，王建锋很感激，他说：“感谢我的老师们，感谢这些美好的经历！今后我将会继续以脚踏实地的精神和科学的思维方式对待我的每一项工作，努力把工作做得更细致、更系统，真正地在实际中应用起来。”

对于未来，王建锋不急不躁。虽然项目的申请竞争很激烈，但他觉得这是好事，可以更好地督促自己。他说：“其实最重要的还是自己能够做一些真正有用的成果出来。只要自己做好了，我相信这些东西都会水到渠成，年轻人得拼一把！”