中国科学技术大学化学系俞书宏

ersan

1月20日，中国科学院院长、党组书记侯建国在中国科学院2022年度工作会上，为获奖集体和个人颁发了2021年度中国科学院杰出科技成就奖，中国科学院副院长、党组成员周琪宣读了授奖决定。我校俞书宏院士荣获中国科学院杰出科技成就奖。
        俞书宏院士长期从事无机合成和仿生材料研究。在仿生工程材料的设计制备及应用领域取得了一系列原创性成果，为实用仿生结构功能材料的创制及其应用奠定了坚实基础。创立了介观尺度“组装与矿化”相结合的合成方法, 首次成功矿化合成了人工珍珠母, 解决了这一世界公认的难题。成果发表在Science, 被该刊Perspectives称“提出的矿化方法是一项突破性进展”, 被Nature选为研究亮点。创制了具有优异隔热防火性能的轻质高强仿生木材, 被Science新闻、Scientific American选为亮点。开拓了宏观尺度纳米组装体的制备与功能化的研究，成功实现了具有重要应用前景的多种纳米结构单元及其组装体的宏量制备。两次获国家自然科学二等奖，先后获得全国创新争先奖章、安徽省重大科技成就奖等。
        中国科学院杰出科技成就奖于2002年设立，2003年首次颁奖，今年为第十四次颁奖。该奖项授予院属单位在科技创新活动中做出重大成果的个人或集体，坚持高标准、严要求、宁缺毋滥的原则，每次评选出的获奖集体和个人不超过10个。

shuangjiang

近年来，随着纳米技术的不断发展，聚合物基纳米复合材料由于其优异的力学性能和功能性在材料领域发挥着越来越重要的作用。然而，如何实现聚合物基纳米复合材料的高效、大规模、绿色环保、可持续且高度可控的制备仍然是一个世界难题。然而，对微生物辅助复合材料制备过程的探索有望为该问题提供一种全新的解决方案。
       近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队应邀在国际综述期刊《Accounts of Materials Research》上，发表题为“Growing Bacterial Cellulose-Based Sustainable Functional Bulk Nanocomposites by Biosynthesis: Recent Advances and Perspectives”的评述论文，合肥微尺度物质科学国家研究中心管庆方副研究员为该论文的第一作者。

气溶胶辅助生物合成

        作详细评述了一种被命名为“气溶胶辅助生物合成”的复合材料原位制备新策略，并从其普适性、可控性、三维可设计性、可扩展性和可持续性等方面全面论述了该复合材料制备策略的巨大潜力。该策略巧妙地将纳米材料气溶胶的沉积过程和微生物原位合成高强度细菌纤维素三维纳米网络的过程相结合，成功实现了各种纳米材料在三维纳米网络中均匀分散，并制备得到了一系列兼具高强度和功能性的细菌纤维素基纳米复合材料。
         首先，作者回顾了聚合物基复合材料的发展历程，进而从复合材料制备过程中的关键要素的时空分布的角度分析复合材料的制备方法，并首次提出了基于关键要素的时空匹配程度评价复合材料制备策略的观点，这一观点为复合材料制备方法的探索提供了新的思路和方向。而后，基于关键要素时空匹配的观点，作者分析了气溶胶辅助生物合成策略具有诸多优势的内在原因，指出了该策略的核心优势在于实现了细菌合成纳米三维网络和纳米材料沉积这两个关键过程的配合。具体来说，该策略是通过实现上述过程的关键要素（氧气、营养物质、细菌和纳米材料等）在时间与空间两个维度上的匹配，成功制备了兼具优异力学性能和功能性的纳米复合材料。在此基础上，可精确控制纳米材料气溶胶沉积过程为该策略带来了普适性、可控性和三维结构可设计性。同时，常温常压下的生物合成过程使得该策略具有充分的可扩展性、环保性以及可持续性。最后，作者展望了这类生物合成的纳米复合材料未来的发展方向以及该领域一些亟待解决的问题，并提出未来有望基于该策略构建高效、安全、低能耗的“细菌工厂”用于生产各类细菌纤维素基功能纳米复合材料的设想。
         该项研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目的资助。
         论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00028

fanggou

毛竹凭借较轻的重量、卓越的机械性能和迅速的生长等优势，逐渐成为替代木材和化学合成品的一种可持续资源。与具有纤维单向排布结构的竹间相比，短小的竹节似乎机械性能较为薄弱，其在工程纤维层合板加工中往往被废弃。在高大笔直的毛竹的生存发展进程中，占比不大的竹节将发挥定点机械支撑强化和流体多向输运等方面作用。这种双功能或多功能的实现必然与竹节内部结构紧密相关，然而目前有关竹节的空间纤维构造和构效关系仍然模糊不清。
        鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队运用多尺度成像和多模态力学性能研究的协同策略，系统分析并明确了竹节的空间多级次纤维组装结构，提出了三种纤维增强结构的设计方案，为今后开展仿生纤维复合结构材料的创制研究提供最优的设计方案。此外，还实验验证了竹节结构增强和液体输运的一体化设计方案，并据此构筑了一种基于竹节的光热水蒸发装置。近期以“Mechanically robust bamboo node and its hierarchically fibrous structural design”为题发表在《国家科学评论》上（National Science Review2022,doi: 10.1093/nsr/nwac195）。论文第一作者为陈思铭特任副研究员和张思超博士，通讯作者为高怀岭副研究员和俞书宏院士。
         研究人员运用光学显微镜、三维X射线计算机断层扫描及重构技术、扫描电子显微镜和原子力显微镜等成像表征手段，探明了竹节内空间异质的多级次纤维（维管束）结构排列情况（图1a-b），并识别了它们的空间布局和互通性。基于结构新发现，研究人员进一步提出了包括空间纤维保型性紧密互锁（位于竹节壁，图1c）、空间三轴互垂脚手架连接（位于竹节壁与隔膜的过渡区，图1d）和各向同性吸能交织（位于隔膜中心区，图1e）在内的三种纤维增强结构设计方案。

竹节空间异质多级次微纳纤维

图1.竹节空间异质多级次微纳纤维结构

        在拱形径向压缩（图2a-c）、单向轴向压缩（图2d-f）、轴向劈裂（图2g-i）等不同模态载荷作用下，研究人员研究了竹节中环向纤维束（位于竹节壁和隔膜的过渡区，图2b-c）和横穿纤维（位于竹节壁，图2e,h）等几种关键纤维的结构演变和破坏情况。进一步结合三维X射线计算机断层扫描和微裂纹重构技术以及理论模拟分析（图2b-c,e-f,h-i），验证了几种关键纤维和纤维增强结构设计方案在维持竹节和竹体结构稳定性方面的重要贡献。

竹节空间异质多级次微纳纤维

图2.竹节多模态力学研究与关键纤维的增强增韧作用

        研究人员还运用三维X射线计算机断层扫描术，实验发现竹节内多向排布的维管束纤维可实现液体输运交换，并证实了维管束纤维结构增强和液体输运的一体化设计。受此多功能集成的启发，设计了一种基于竹节的光热水蒸发装置，该装置表现出良好的结构稳定性和蒸发效能。
这项研究运用了实验和理论相结合的手段，详细解析了竹节内复杂的纤维结构，提炼并验证了三种纤维增强结构方案。这些纤维增强结构由纤维素分子、纳米晶体、纳米纤维、微纤维和维管束逐级放大组装而成。多尺度增强增韧机制在维持竹节和竹体结构稳定性方面发挥了跨尺度协同作用，该研究将为将为高性能纤维复合结构材料的优化设计与制备提供指导。
        特别感谢中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授、工程材料科学实验中心龚明教授、生命科学学院向成斌教授和沈显生教授、佐治亚理工学院孙晓昊博士等人的指导帮助。感谢合肥植物园和Carl Zeiss公司等单位对该工作的支持。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国博士后科学基金等资助。
        论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac195

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几丁质是自然界中蕴藏量第二的天然高分子，广泛存在于甲壳类动物的外壳、昆虫的甲壳和真菌的胞壁中，具有可再生、可降解、生物相容性好、成本低廉等优势。由于水凝胶材料具有独特的形态、刚度、对不同类型分子的渗透性和与细胞外基质相似的特性，几丁质水凝胶是临床医学、组织工程、人造器官和数字医学等研究和应用领域的首选材料之一。然而由于分子内和分子间氢键的存在，几丁质不易溶解于一般溶剂中，导致其可加工性不足，严重限制了其利用。目前制备几丁质水凝胶的常用策略是在特殊的溶液体系中溶解几丁质，然而这些特殊体系过于严苛。因此，开发一种绿色、高效的几丁质水凝胶制备策略具有重要意义。

几丁质

      近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队从可溶于弱酸的壳聚糖出发，基于壳聚糖凝胶的化学转化成功实现了几丁质水凝胶的绿色高效制备。水凝胶内酰胺键的形成使的几丁质水凝胶具有优异的力学性能、体外抗溶胀和抗过快降解的能力，并对极端温度、极端酸碱和各种有机溶剂有较好的耐受性等。通过辅助冷冻铸造策略，进一步构建了几丁质水凝胶的各种仿生结构，这既赋予了几丁质水凝胶各种各向异性特征，也加速了溶剂交换过程从而缩短了制备时间。该几丁质水凝胶还展现出高含水量、高抗污能力、无细胞毒性等优异性能，有望在生物医学领域实现临床应用。论文第一作者为中国科大博士研究生刘瑞瑞，通讯作者为中国科大俞书宏院士、茅瓅波副研究员以及安徽医科大学周咏副教授。
       文章信息：Liu R-R, Shi Q-Q, Meng Y-F, et al. Biomimetic chitin hydrogel via chemical transformation. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5886-5.