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项目名称： 仿生轻质高强纳米复合结构材料的可控
首席科学家： 起止年限： 依托部门：
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制备与性能研究
俞书宏 中国科学技术大学 2010年1月-2014年8月 中国科学院
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一、研究内容
（1）揭示自然界多尺度微观结构与结构性能的关系
结合已有的研究基础，从分子、纳米和微米尺度体系，利用可实现原位观测的场发射环境扫描电子显微镜、三维立体成像X射线显微镜等现代表征手段深入研究自然界中具有特异性能材料（如贝壳、蜘蛛丝、生物体骨骼等）的物理化学结构特征，特别是对其功能起关键作用的表、界面结构与特性的内在联系进行研究，进而揭示自然材料的多尺度微观结构与结构性能之间的本质关系，有助于发现和提出新概念、新原理、建立新理论，为轻质高强纳米复合结构材料的共性制备提供指导和理论依据。
（2）赋予纳米结构空间各向异性
各向异性的纳米结构单元间的相互作用力是控制它们空间组装的前提，也是程序化组装的基础。为此，我们将系统地研究通过纳米结构单元的尺寸、形貌和表面化学功能的调控，利用功能分子对特定各向异性纳米结构单元的裸露晶体晶面的选择性吸附作用等进行选区修饰，以及不对称粒子等手段引入空间各项异性等手段和方法，可控地赋予纳米结构在不同空间区域的各向异性。发展制备和表征单分散各向异性纳米结构单元的技术。
（3）纳米结构单元组装的空间调控
利用作用于纳米结构单元的空间各向异性，研究如何可控地将不同的纳米结构单元组装为初级结构；调控组装体中的组分序列和空间构型；设计和构建异质界面，在纳米结构单元之间引入对外界环境刺激敏感的生物或合成大分子；运用取向连接、修饰在纳米结构单元上的分子间的弱相互作用和识别、层层组装等原理，控制纳米结构组装体作为一个整体的性能。
（4）测试与表征技术的改进与提升
针对材料中多尺度形貌结构和化学成分表征的需要，搭建倒置光学／共聚焦拉曼／扫描探针显微镜测试系统，观察样品从毫米、微米、纳米，直至原子尺度的形貌结构，检测分子和材料的特征振动。利用北京航空航天大学的力学测试平台对材料的模量、强度、应力-拉伸曲线等常规项目进行测试。在搭建的倒置光学／共聚焦拉曼／扫描探针显微镜系统中加装一个微拉伸装置，在不同应力或应变条件下原位、实时观察复合材料体系的微纳结构和界面结构，以便研究自然和
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人工复合材料对外界载荷的反应，解决复合材料设计与构筑中的一些基本科学问题。利用扫描探针技术中的纳米拉伸方法研究界面的相互作用，并通过理论计算和模拟验证实验结果。
（5）纳米结构材料的宏量制备与应用
受自然启发，特别是以自然界材料的多级组装和纳米科学为牵引，可以显著降低由组装过程中的随机性造成的组装体的空间尺寸和形貌的不均一，有利于纳米复合结构材料的宏量制备。同时，以应用需要为导向来设计材料，根据飞行器不同部位（机翼、机身、发动机等）对纳米组装材料性能的要求（材质轻、强度高、耐高低温、耐老化或耐腐蚀等），设计相应的组装路线。通过受自然界多级次、多尺度的组装原理启发→设计材料→组装得到新型功能结构材料（包括材料的可控制备）→应用实践检验材料→修改完善设计这样一个螺旋上升的过程，提升我们设计和制造具有先进性能的结构材料和具有光、电、热和磁等多种性能的功能材料的能力，实现结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一，同时探索该材料在航空航天、民用等领域的应用。
上述研究内容覆盖了新型纳米复合结构材料可控制备过程中四个层次：自然界生物体微观结构与性能的揭示，目标分子与纳米结构单元的设计合成，初级纳米结构的空间受控组装和多级纳米结构的动态可控组装，以及纳米结构的集成和应用，可望为仿生轻质高强纳米复合结构材料体系的设计、可控制备和应用奠定坚实基础。
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二、预期目标
总体目标：
获得一批国际水平的创新性研究成果，使我国在仿生轻质高强纳米复合结构材料研究和应用总体水平进入国际先进行列，争取做出若干原创性的工作，在国际上占有一席之地。预计经过5年的研究，发展若干种具有重要应用价值的高性能纳米复合材料的组装结构的可控制备方法和组装技术，认识高性能纳米结构可控制备及组装的基本原理和规律性，为发展基于新型纳米复合材料及组装结构的应用研究提供物质基础，为航空航天与国防用纳米复合结构材料和技术领域的可持续发展及其成果转化提供新知识、新技术和新材料。
五年中预期达到的具体目标：
在知识创新方面：发现新概念、新原理、建立新理论。主要在揭示生物体结构与其特殊性能之间的内在本质、仿生轻质高强纳米复合结构材料的可控制备、测试表征技术的改进与提升等方面取得重要进展，做出在国际上有重要影响的工作。5年发表200-220篇SCI收录的论文，其中二区以上的论文多于50％，其中影响因子在5以上的不少于30篇，3以上的80篇，出版1－2本以上专著，申请专利20-25项。为建立仿生轻质高强纳米复合结构材料体系框架奠定基础。通过本项目的执行，培养和造就一批高层次的、交叉复合型研究人才，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。
在方法创新方面：模仿具有特殊性能生物体的结构，制备具有轻质、高强等特性的新型人工材料，从认识自然到模仿自然进而在特定功能侧面超越自然。
在技术创新方面：仿生多尺度微观结构制备技术；目标分子及纳米结构单元的组装技术、复合技术；纳米复合材料的可控制备技术。
在材料创新方面：制备出对国民经济有重要影响的、具有自主知识产权的3?5种新材料，申请20-25项发明专利；发展用于航空航天与国防等领域的轻质、高强纳米复合结构材料。利用结构及功能协同的纳米复合材料取得的研究成果，对传统材料进行改性，为传统产业的改造和升级换代提供理论和技术基础。
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