福建土樓啟發(fā)一篇頂刊！

近日，上海交通大學(xué)博士畢業(yè)生鐘豪章和所在團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了分級結(jié)構(gòu)對金屬超材料的顯著強(qiáng)化作用，更重要的是他們意外發(fā)現(xiàn)了一種全新的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑機(jī)制。通過將冶金學(xué)中的成分偏析現(xiàn)象、去合金技術(shù)以及 C 類超材料設(shè)計(jì)理念有機(jī)結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)成功在納米多孔銅基體中引入了“不可腐蝕骨架”結(jié)構(gòu)，相關(guān)論文于日前發(fā)表在《先進(jìn)材料》

（來源：鐘豪章）

這一過程的核心在于：利用 3D 打印快速凝固過程產(chǎn)生的微觀成分偏析，形成具備選擇性腐蝕行為的前驅(qū)體；再通過去合金工藝，去除脆弱相、保留強(qiáng)化相，從而在納米多孔網(wǎng)絡(luò)中自發(fā)形成支撐骨架。這一機(jī)制開辟了一種跨學(xué)科融合的新路徑，實(shí)現(xiàn)了從冶金偏析出發(fā)，經(jīng)過去合金調(diào)控，最終導(dǎo)向功能型納米多孔超材料的完整構(gòu)筑路線。同時，這一新現(xiàn)象不僅拓展了人們對去合金行為的理解，也為高強(qiáng)度–高比表面積金屬材料的設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)和工程手段。

這項(xiàng)研究成果具有非常廣闊的應(yīng)用前景。它不僅具備可與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)金屬材料媲美的機(jī)械性能，還同時擁有超大的比表面積——每公斤材料的表面積可達(dá)約 4 個標(biāo)準(zhǔn)足球場，是許多現(xiàn)有納米材料難以實(shí)現(xiàn)的水平。更重要的是，它的制備成本非常低，僅為常規(guī)納米材料的十分之一，且不受尺寸限制，大尺寸批量制備完全可行，故能為實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來 3 到 5 年內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)這一材料將在多個領(lǐng)域釋放潛力。例如在電子散熱器方面，超高比表面積有利于快速熱交換；在藥物傳輸與控釋領(lǐng)域，其孔道結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高效載藥與釋放控制；在催化與能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，其多孔結(jié)構(gòu)提供大量反應(yīng)位點(diǎn)，可提升效率；而在骨科植入體方向，其納米多孔結(jié)構(gòu)能夠有效促進(jìn)骨組織長入與骨整合，助力新一代智能植入器械的發(fā)展。

總的來說，這是一種兼具強(qiáng)度、功能與成本優(yōu)勢的金屬材料，具備極大的產(chǎn)業(yè)化潛力和可持續(xù)發(fā)展前景。

圖 | 鐘豪章（來源：鐘豪章）

這項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)靈感與鐘豪章個人的經(jīng)歷有很大關(guān)系。鐘豪章是福建龍巖人?！暗f來也有些慚愧，在 2021 年之前，我從未真正走近去了解過土樓?！逼浔硎尽Ｄ悄昴瓿?，鐘豪章愛人堅(jiān)持帶他去參觀福建永定的土樓群，親眼所見后深受震撼：土樓墻體厚達(dá)三米，有些甚至是幾代人接力完成建造，充滿堅(jiān)韌與智慧。而墻體結(jié)構(gòu)中黃泥、木片與石塊交錯堆疊的樣貌，又讓鐘豪章不禁聯(lián)想到自己老家農(nóng)村的土房子，既陌生又親切，這份印象非常深刻。

也是在同年 10 月份，鐘豪章開始探索去合金納米多孔金屬的研究方向。一次偶然的實(shí)驗(yàn)中，他和所在團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特定設(shè)計(jì)的 3D 打印前驅(qū)體，在去合金處理后形成了一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：表面是納米多孔的“填充體”，內(nèi)部卻保留了一部分不可腐蝕的“骨架”結(jié)構(gòu)。這種“骨架–填充體”的構(gòu)型竟然與鐘豪章在土樓中看到的墻體如出一轍。

這份意外的“重逢”，讓鐘豪章意識到中國傳統(tǒng)建筑中蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)智慧，或許可以轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)的靈感來源。研究團(tuán)隊(duì)順著這個方向繼續(xù)深入研究，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)策略在性能上的顯著優(yōu)勢。這段經(jīng)歷，不僅連接了鐘豪章個人的故鄉(xiāng)記憶，也讓傳統(tǒng)文化與前沿科技在實(shí)驗(yàn)室里真正相遇。

而本次研究實(shí)際上是研究團(tuán)隊(duì)此前發(fā)表于《今日材料》的一篇論文的延伸。在那項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過模擬與理論分析發(fā)現(xiàn)，引入分級結(jié)構(gòu)是提升金屬超材料力學(xué)性能的有效途徑。結(jié)合 3D 打印與去合金技術(shù)，恰好為構(gòu)建這種分級結(jié)構(gòu)提供了可控、可實(shí)現(xiàn)的工藝路徑。因此，研究團(tuán)隊(duì)以此為基礎(chǔ)，啟動了這項(xiàng)新的研究。

然而在研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)有了一個意外發(fā)現(xiàn)：3D 打印形成的金屬前驅(qū)體在后續(xù)去合金過程中會出現(xiàn)明顯的成分偏析。這種偏析并非研究團(tuán)隊(duì)最初刻意設(shè)計(jì)的，但它在去除可去合金相后，保留下來的骨架結(jié)構(gòu)極大增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度。這種“骨架–填充體”的構(gòu)型也正是前一個問題中提到的、與福建土樓墻體結(jié)構(gòu)極為相似的設(shè)計(jì)。這一巧合進(jìn)一步啟發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)建筑智慧融入現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)思路，并最終形成了這項(xiàng)兼具科學(xué)性與文化意涵的研究。

（來源：鐘豪章）

鐘豪章表示，這項(xiàng)工作的最初出發(fā)點(diǎn)，其實(shí)是為了驗(yàn)證“分級結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化超材料”這一設(shè)想。研究團(tuán)隊(duì)投入了很多精力，也完成了不少實(shí)驗(yàn)和模擬，但就在準(zhǔn)備成稿的時候，發(fā)現(xiàn)已有相關(guān)文獻(xiàn)搶先發(fā)表了類似的結(jié)果。當(dāng)時確實(shí)感到有些失落，團(tuán)隊(duì)也陷入了一段長達(dá)近一年的“科研真空期”。

但令人驚喜的是，正是在這個幾乎要放棄的時候，研究團(tuán)隊(duì)忽然意識到：研究團(tuán)隊(duì)樣品中這種類似福建土樓墻體的“骨架–填充”結(jié)構(gòu)，也許并不是一個偶然的現(xiàn)象，而是一種全新的強(qiáng)化機(jī)制。帶著這個猜想，研究團(tuán)隊(duì)重新投入研究，通過理論計(jì)算和宏觀結(jié)構(gòu)模擬，發(fā)現(xiàn)這種“類土樓拓?fù)洹贝_實(shí)能夠提供強(qiáng)大的力學(xué)支撐和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

這一意外的發(fā)現(xiàn)不僅扭轉(zhuǎn)了原本陷入瓶頸的研究，也讓研究團(tuán)隊(duì)從“模仿已有設(shè)計(jì)”走向了“發(fā)現(xiàn)獨(dú)特機(jī)理”的全新方向。它重新點(diǎn)燃了研究團(tuán)隊(duì)對這個課題的熱情，也讓研究團(tuán)隊(duì)真正體會到科研的魅力往往就藏在“偶然”和“轉(zhuǎn)念一想”之間。

圖 | 相關(guān)論文（來源：https://doi.org/10.1002/adma.202503701）

總的來說，這項(xiàng)研究為他們打開了一個非常有前景的新方向，接下來研究團(tuán)隊(duì)有兩條主要的拓展路徑。

一方面，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這種“骨架–填充體”式的強(qiáng)化機(jī)制推廣到更多金屬合金體系中。例如探索鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金，通過 3D 打印與去合金相結(jié)合，構(gòu)建具備不同功能與力學(xué)性能組合的新型材料體系。如果能夠在這些合金中復(fù)制或優(yōu)化類似的結(jié)構(gòu)策略，那么這類材料將不僅限于銅基體系，而是有望形成一個可推廣的設(shè)計(jì)平臺。

另一方面，研究團(tuán)隊(duì)也在積極探索其在實(shí)際應(yīng)用中的突破口。得益于其超大的比表面積與良好的可加工性，該材料在催化劑載體、藥物傳輸以及高效散熱器等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出極大潛力。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃圍繞這些功能場景開展深入合作與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)室成果逐步推向?qū)嶋H應(yīng)用。

鐘豪章說道，這項(xiàng)研究的意義不僅僅是一個新材料，更是提供了一種可以跨材料、跨尺度應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范式。研究團(tuán)隊(duì)希望未來能將它打造成一個兼顧基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的長期發(fā)展方向。

（來源：鐘豪章）

在鐘豪章看來，做基礎(chǔ)研究最重要的是要遵從內(nèi)心的熱愛。哪怕所在團(tuán)隊(duì)暫時沒有相關(guān)積累，也不應(yīng)因此卻步。如今獲取知識的渠道非常豐富，科研生態(tài)也越來越開放，完全可以主動走出去，與在該方向有深入積累的團(tuán)隊(duì)交流合作。只有興趣驅(qū)動的研究，才能真正沉得住氣、經(jīng)得起時間的考驗(yàn)。

同時，鐘豪章也認(rèn)為，如果有機(jī)會，基礎(chǔ)研究應(yīng)當(dāng)盡可能向?qū)嶋H應(yīng)用延伸一步。哪怕只是一個初步的驗(yàn)證或探索，也有可能為技術(shù)轉(zhuǎn)化打下基礎(chǔ)。當(dāng)你能親身感受到“學(xué)以致用”的那一刻，那種成就感是單純的論文發(fā)表所無法替代的。對鐘豪章來說，這種“從科研走向應(yīng)用”的過程，是將興趣、責(zé)任與價(jià)值感統(tǒng)一起來的最佳方式。

正因此，鐘豪章在博士畢業(yè)當(dāng)年（2021 年）創(chuàng)辦了自己的公司——上海醫(yī)鈦科技有限公司。公司專注于超材料生成式設(shè)計(jì)模型的開發(fā)，致力于將人工智能與材料科學(xué)深度融合，推動新一代結(jié)構(gòu)–功能一體化材料在醫(yī)療等領(lǐng)域的落地應(yīng)用。目前，公司已獲得國家級科技型中小企業(yè)認(rèn)證，并入選上海市大零號灣優(yōu)質(zhì)科創(chuàng)企業(yè)榜單?；谘芯繄F(tuán)隊(duì)自研的大模型設(shè)計(jì)平臺，研究團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出多款用于骨科治療的超材料植入體產(chǎn)品，其中一款核心產(chǎn)品已成功獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA，F(xiàn)ood and Drug Administration）注冊認(rèn)證，目前正在加速推進(jìn)國內(nèi)相關(guān)注冊認(rèn)證流程，力爭盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的落地轉(zhuǎn)化。

而在未來，他希望以生成式超材料設(shè)計(jì)平臺為核心技術(shù)，打造面向醫(yī)療、能源、航天等多個領(lǐng)域的多場景解決方案，持續(xù)釋放超材料的工程化與產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。

參考資料：

https://doi.org/10.1002/adma.202503701