2019提名国家自然科学奖项目-牙齿耐磨功能形成机制及其仿生研究

jidian

2019年度国家自然科学奖提名公示材料
项目名称        牙齿耐磨功能形成机制及其仿生研究
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）       
借助生物模本的减摩抗磨机制，仿生研制出耐磨性能优异的机器零部件，是节材节能、提升装备制造水平的重要方向之一。项目组选择天然牙齿作为生物模本，围绕耐磨功能形成机制及其仿生这一鲜有涉足但极具挑战的难题开展了系统深入的研究，发现了一系列重要的新现象、新机理与新方法。主要创新成果如下：揭示了牙齿材料跨尺度摩擦磨损及其抑制微观裂纹形成的机制，建立了牙齿宏/微观结构与其优异耐磨性的构性关系，发现多级抗磨的材料组成和结构是牙齿具有优异耐磨性的内在因素；发现唾液蛋白吸附膜润滑是牙齿减少摩擦的重要因素、再矿化是减缓牙齿磨蚀损伤的重要机制，发现磨牙表面齿坎结构为提高作用应力、有效碎化物料提供重要保障；揭示了牙齿多元耦合作用的耐磨机制，提出了从单元到多元耦合仿生的摩擦学设计方法。部分仿生方法为高铁钢轨选材等摩擦学工程实践提供了重要理论依据，助推了中国高铁的发展。
8篇代表性论文（含1篇在美国科学院院刊PNAS上发表的ESI高被引论文）总他引853次，其中被包括美、英、澳等国院士在内的专家学者SCI他引399次；第三方综合评价显示，该项目开拓了生物摩擦学及仿生学科领域的一个新方向并引领其发展；相关成果获教育部自然科学奖一等奖2项（含2018年度拟授奖项目1项）。


对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖。


项目简介        据统计，磨损导致约60%的零部件失效。向大自然学习，借助生物模本的减摩抗磨机制，仿生研制出耐磨性能优异的机器零部件，是节材节能、提升装备制造水平的重要方向之一。项目组选择耐磨性能优异、种类多样、服役环境复杂多变甚至苛刻的天然牙齿作为生物模本，围绕耐磨功能形成机制及其仿生这一鲜有涉足但极具挑战的难题开展了系统深入的研究。项目组通过长达十余年的研究，发现了一系列重要的新现象、新机理与新方法。主要创新成果如下：
1．基于对牙齿独特多级结构特性的认识，结合宏微观摩擦学试验、微/纳硬度测试等方法，揭示了牙齿材料跨尺度摩擦磨损及其抑制微观裂纹形成的机制，建立了牙齿宏/微观结构与其优异耐磨性之间的构性关系，研究发现多级抗磨的材料组成和结构是牙齿具有优异耐磨性的内在因素。
2．基于复杂的口腔环境和牙齿表面形态，发现唾液蛋白吸附膜润滑是牙齿减少摩擦的重要因素、再矿化是减缓牙齿磨蚀损伤的重要机制，发现磨牙表面齿坎结构为提高作用应力、实现少磨多破、有效碎化物料提供重要保障。
3．揭示了牙齿多元耦合作用的耐磨机制，提出了从单元到多元耦合仿生的摩擦学设计方法。部分仿生方法为筛选具有优异滚动疲劳磨损性能的高铁钢轨材料提供了理论指导，助推中国高铁发展；为齿形高效破碎磨头及其产品样机研制、耐磨涂层制备等提供了理论支撑。
项目组应邀为英国物理学会会刊（D）撰写指定专题评述论文，该论文被评为“在世界范围内为该专题的进步作出了较大贡献”的高质量论文；由Springer出版的该方向首部专著《Dental Biotribology》被同行专家称为“一部由国际公认学者撰写的适时而又权威之作”，英国皇家学会院士Dowson称是“对这一快速发展的重要领域的一个正确和可喜拓展”；微观磨损机理研究在美国科学院院刊PNAS上发表并入选ESI高被引论文；分别应邀在首届生物摩擦学国际会议等重要国际会议上作了一系列在牙齿生物摩擦学及其仿生研究方向唯一的邀请报告。
项目组发表SCI收录论文112篇，出版英文专著1部；8篇代表性论文总他引853次，SCI他引399次；项目负责人连续4年入选Elsevier发布的机械工程学科中国高被引学者榜单，相关成果获教育部自然科学奖一等奖2项（含2018年度拟授奖项目1项）。
客观评价        项目组发表SCI收录论文112篇，出版英文专著1部；8篇代表性论文（含1篇在美国科学院院刊PNAS上发表的ESI高被引论文）被他人引用853次；项目负责人为国家创新研究群体学术负责人，连续4年入选Elsevier发布的机械工程学科中国高被引学者榜单；5位主要完成人均为国家杰出或优秀青年基金获得者，作相关邀请报告46次；相关成果获教育部自然科学奖一等奖2项（含2018年度拟授奖项目1项）。
1．总体评价及学术影响力
2008年，应英国皇家物理学会会刊（D）的邀请，该项目负责人为该期刊认定的“当前具有浓厚兴趣的领域”撰写专题评述论文，被评为 “在世界范围内为该专题的进步作出了较大贡献”高质量论文，并入选为该学会所属系列期刊中当年季度下载率前10％论文。2013年，由Springer出版的该领域首部专著《Dental Biotribology》被国际同行专家称之为“一部出自中国的国际公认的学者撰写的及时而又权威之作”；国际生物摩擦学学科创始人、英国皇家学会院士Dowson教授在为该书亲自撰写的序言中称“是对这一快速发展的重要领域的一个正确和可喜的拓展。…这是一项具有挑战性的艰巨工作”；出版当年就被他人被付费下载1070次。
该项目负责人应邀分别在首届生物摩擦学国际会议、第四届与第六届世界摩擦学大会等重要学术会议上作了一系列在牙齿耐磨机制及其仿生研究方面唯一的邀请报告；2010年应邀作为第一客座主编，与英国机械工程师协会会刊（J）主编Dwyer-Joyce合作编辑出版该领域在工程类学术期刊上的第一本专辑；应邀为英文版摩擦学百科全书撰写指定条目《口腔摩擦学学》；2015年，合作创建并担任主编的《Biosurface and Biotriblogy》期刊入选中国科技期刊国际影响力提升计划。
2. 国外引评
澳大利亚新南威尔士大学Hoffman院士团队在其发表的系列论文中均引用该项目的多篇论文并进行较大篇幅的介绍，涉及发现点1和2，例如，他们指出“…郑和周提出塑性变形和微裂纹引发的剥离是牙釉质磨损的主要原因，…酸蚀导致牙釉质摩擦系数和磨损的增加”，并把郑和周的研究列为第三系列方面的成果。美国工程院院士、美国国家标准技术研究所Lawn教授把该项目的实验结果作为验证其理论模型的证据之一，指出：“郑和周的研究表明在稳定状态下球面接触的牙釉质磨损量与位移、载荷之间成线性关系，与方程（4）相符”，涉及发现点1。英国工程摩擦学学报主编、谢菲尔德大学Dwyer-Joyce教授在其题为“人类牙齿磨损的摩擦学展望”的论文中大篇幅引评该项目的2篇论文（包括原图3幅），指出“为了精确模拟牙齿磨损，更为复杂的往复滑动磨损实验用于研究”；“随牙釉质层向本质层靠近，磨损深度随之增加，… 不同的牙釉质层面明显展现不同的磨损行为”。瑞士联邦高等工业大学Nelson教授等在其Advanced Functional Material学报（IF：13.325）论文中指出“需要指出的是，不同测量技术和/或不同载荷得到的硬度进行对比时需要特别小心。…依据所测材料的不同这种离散性可高达10 - 30%， 这也通常可称为压痕尺寸效应”，涉及发现点1；英国皇家学会院士Dowson教授指出 “酸蚀导致的牙齿硬组织脱矿会诱发牙齿内部的釉柱急剧溶解，使得牙釉质表面出现蜂窝结构，磨损显著加剧”, 涉及发现点2。芬兰赫尔辛基大学Fortelius教授团队指出：“最近在牙釉质宏微观尺度发现软于牙釉质的颗粒可导致在没有塑性变形下发生组织丧失” 涉及发现点1。2015年荷兰飞利浦研究中心Gerhardt研究员等人较大篇幅引用该项目的8篇论著（代表性论文4篇），指出“…采用往复滑动磨损以模拟实际工况”，“实验结果与郑等获得的有关摩擦学测试结果相当一致…”，涉及发现点1、2和3。法国波尔多大学Maureille教授团队在其综述论文中较大篇幅引用该项目的3篇论著，指出“微裂纹导致釉间质剥离，然后引起釉柱的剥落”，涉及发现点1。新西兰奥塔哥大学Swain教授团队在其综述论文中引评该项目5篇论文，重点介绍了该项目在唾液润滑等方面的成果, 涉及发现点2。在涉及发现点3的耐磨涂层及耐磨仿生研究方面，英国皇家工程院院士、Surf. & Coat. Tech. 主编Matthews教授团队指出“AlCrN涂层磨痕可能由于接触表面剥离的微小颗粒的抛光作用并易于从界面去除”，日本东京理科大学Amanov教授进一步认为莫等的研究“已经揭示磨粒磨损和氧化磨损是AlCrN涂层滑动磨损试验中的主要磨损机制，而摩擦氧化起到重要的作用”。
3. 国内引评
原国家自然科学基金委雷源忠教授在题为“我国机械工程研究进展和展望”的论文（机械工程学报，2009，45期）中指出周仲荣“在生物摩擦学，特别是在自然牙的摩擦学研究中，揭示了自然牙的微观组织结构及其摩擦磨损机制”。英国机械工程师协会会刊（Part J）副主编、清华大学胡元中教授在介绍中国摩擦学研究进展的一文中，将牙齿耐磨功能形成机制研究列为我国摩擦学研究取得的成果之一。
攀钢集团研究院有限公司认为：“研究成果对于我国高速铁路钢轨的选材提供了重要的理论依据”，助推了中国高铁的发展。
以国际《仿生工程学报》主编任露泉院士为主任、谭建荣院士为副主任的评价委员会认为：“基于牛磨牙表面齿坎结构的一种破碎仿生新机理及产品设计方法属国内外独创，对于提升食品药品粉体加工、建筑材料破碎等装备制造水平，具有重要的推广应用价值”。


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        On the friction and wear behaviour of human tooth enamel and dentin/Wear/ J. Zheng, Z.R. Zhou, J. Zhang, H. Li, H.Y. Yu        2003年255卷967-974页        2003年09月01日        Z.R. Zhou        J.  Zheng        郑靖，周仲荣，张杰，黎红，于海洋        48        121        否
2        Comparison of nano-indentation hardness to microhardness/ Surface & Coatings Technology/ L.M. Qian, M. Li, Z.R. Zhou, H. Yang, X.Y. Shi        2005年195卷264-271页        2005年05月31日        Z.R. Zhou        L.M. Qian        钱林茂，黎明，周仲荣，杨辉，石心余        107        207        否
3        Friction and wear behavior of human teeth under various wear conditions/ Tribology International/ J. Zheng, Z.R. Zhou        2007年40卷278-284页        2007年02月01日        Z.R. Zhou        J.  Zheng        郑靖，周仲荣        24        51        否
4        Tribology of dental materials - a review/ Journal of Physics D: Applied physics/ Z.R Zhou, J. Zheng        2008年41卷1-22页        2008年05月13日        Z.R. Zhou        Z.R. Zhou        周仲荣，郑靖         48        117        否
5        New model to explain tooth wear with implication for microwaer formation and diet reconstruction/ PNAS （Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America）/ J. Xia, J. Zheng,  D.D. Huang，Z. Ryan Tian，L. Chen，Z.R. Zhou, P.S. Ungar, L.M. Qian        2015年112卷10669-10672页        2015年08月25日        J．Xia        P.S. Ungar, L.M. Qian         夏晶，郑靖，黄调调，周仲荣，钱林茂        31        55        是
6        Erossion behavior of human tooth enamel in citric acid solution/ Tribology International/ J. Zheng, F. Xiao, L.M. Qian, Z.R. Zhou        2009年42卷1558-1564页        2009年12月01日        Z.R. Zhou        J.  Zheng        郑靖，肖枫，钱林茂，周仲荣        17        55        否
7        Comparison of tribological behaviours of AlCrN and TiAlN coatings - Deposited by physical vapor deposition/Wear/ J. L. Mo, M.H. Zhu, B. Lei, Y.X. Leng, N. Huang        2007年263卷1423-1429页        2007年09月10日        J.L. Mo        M.H. Zhu        莫继良，朱旻昊，雷斌，冷永祥，黄楠        86        173        否
8        Tribological oxidation behaviour of PVD hard coatings/ Tribology International/ J.L. Mo, M.H. Zhu        2009年42卷1758-1764页        2009年12月01日        J.L. Mo        M.H. Zhu        莫继良，朱旻昊        38        74        否
合计                399        853       
主要完成人情况       
1）        姓名：周仲荣               
排名：1；行政职务：副校长；技术职称：教授               
工作单位：西南交通大学；完成单位：西南交通大学
对本项目贡献:
该项目的学术负责人和创新成果主要贡献者：揭示了牙齿多元耦合作用的耐磨机制，提出了从单元到多元耦合仿生的摩擦学设计方法，并在摩擦学工程案例中得到成功应用（涉及创新点1、2、3的主体部分）；是代表性论文1、2、3、4、6的通讯作者和代表性论文5的合作者，分别是2012年度教育部自然科学一等奖的第一完成人和2018年度教育部自然科学一等奖拟授奖项目的第一完成人。
2）        姓名：郑靖               
排名：2；行政职务：无；技术职称：研究员               
工作单位：西南交通大学；完成单位：西南交通大学
对本项目贡献：
揭示了牙齿材料在不同尺度下的摩擦磨损机制，建立了牙齿宏/微观结构与其优异耐磨性的构性关系；揭示唾液吸附膜润滑是牙齿减摩的重要机制，再矿化是牙齿酸蚀表面自修复的重要途径（涉及创新点1、2的主体部分和创新点3的部分内容）；是代表性论文1、3、6的第一作者和代表性论文4、5的合作者，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第三完成人。
3）        姓名：钱林茂，
排名：3；行政职务：院长；技术职称：教授       
工作单位：西南交通大学；完成单位：西南交通大学
对本项目贡献：
提出了纳米和微观硬度的差异及原因，揭示了牙齿材料微观摩擦磨损及其抑制微观裂纹形成的机制、酸蚀对牙齿表面磨损的作用机制等（涉及创新点1的主体部分和创新点2的部分内容）；是代表性论文2的第一作者、论文5的通讯作者和论文6的合作者，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第四完成人。
4）        姓名：莫继良               
排名：4；行政职务：无；技术职称：研究员               
工作单位：西南交通大学；完成单位：西南交通大学
对本项目贡献：
    基于天然牙釉质层材料、结构与耐磨性能的关系，对工程耐磨涂层设计及制备开展了研究，揭示了铬、钛等元素及摩擦过程中所形成的氧化膜对涂层耐磨性的重要影响，（涉及创新点3的部分内容）；是代表性论文7、8的通讯作者，分别是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第七完成人和2018年度教育部自然科学奖一等奖拟授奖项目的第六完成人。
5）        姓名：朱旻昊               
排名：5；行政职务：院长；技术职称：教授
工作单位：西南交通大学；完成单位：西南交通大学


对本项目贡献：
    基于天然牙釉质层材料、结构与耐磨性能的关系，对工程耐磨涂层设计及制备开展了研究，分析发现氧化铬摩擦膜的形成以及对AlCrN涂层耐磨性的影响机制（涉及创新点3的部分内容）；是代表性论文7、8的通讯作者，分别是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第六完成人和2018年度教育部自然科学奖一等奖拟授奖项目的第八完成人。
完成人合作关系说明        该项目五位主要完成人来自同一课题组，均在西南交通大学摩擦学研究所工作，第一主要完成人周仲荣是该课题组的学术带头人，也是该项目的学术负责人。
   第二主要完成人郑靖是第一主要完成人周仲荣指导毕业的博士研究生，她的博士论文“牙齿的摩擦学特性研究”于2009年获全国优秀博士论文提名（见附件38），毕业后在周仲荣团队工作至今，主要从事牙齿耐磨功能形成机制及仿生研究。
        第三主要完成人钱林茂2002年底回国工作，在第一主要完成人周仲荣团队工作至今，在该项目中主要从微观角度研究牙齿材料的耐磨性能。
第五主要完成人朱旻昊是第一主要完成人周仲荣指导毕业的博士研究生，毕业后在周仲荣团队工作至今，在该项目中主要从事耐磨涂层研制及其耐磨仿生研究。
        第四主要完成人莫继良是第五主要完成人朱旻昊指导毕业的博士研究生，毕业后在第一完成人周仲荣团队工作至今，在该项目中主要从事耐磨涂层研制及其耐磨仿生研究。