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上海交大校友以福建土樓為靈感開發新材料，比表面積高達4個足球場/公斤，已成立初創公司獲FDA認證

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-23 15:49:04

近日，上海交通大學博士畢業生鐘豪章和所在團隊驗證了分級結構對金屬超材料的顯著強化作用，更重要的是他們意外發現了一種全新的結構構筑機制。通過將冶金學中的成分偏析現象、去合金技術以及 C 類超材料設計理念有機結合，研究團隊成功在納米多孔銅基體中引入了“不可腐蝕骨架”結構，相關論文于日前發表在《先進材料》。

這一過程的核心在于：利用 3D 打印快速凝固過程產生的微觀成分偏析，形成具備選擇性腐蝕行為的前驅體；再通過去合金工藝，去除脆弱相、保留強化相，從而在納米多孔網絡中自發形成支撐骨架。這一機制開辟了一種跨學科融合的新路徑，實現了從冶金偏析出發，經過去合金調控，最終導向功能型納米多孔超材料的完整構筑路線。同時，這一新現象不僅拓展了人們對去合金行為的理解，也為高強度–高比表面積金屬材料的設計提供了新的理論依據和工程手段。

這項研究成果具有非常廣闊的應用前景。它不僅具備可與傳統結構金屬材料媲美的機械性能，還同時擁有超大的比表面積——每公斤材料的表面積可達約 4 個標準足球場，是許多現有納米材料難以實現的水平。更重要的是，它的制備成本非常低，僅為常規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，故能為實際應用提供堅實基礎。

未來 3 到 5 年內，研究團隊預計這一材料將在多個領域釋放潛力。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域，其孔道結構可實現高效載藥與釋放控制；在催化與能量轉換領域，其多孔結構提供大量反應位點，可提升效率；而在骨科植入體方向，其納米多孔結構能夠有效促進骨組織長入與骨整合，助力新一代智能植入器械的發展。

總的來說，這是一種兼具強度、功能與成本優勢的金屬材料，具備極大的產業化潛力和可持續發展前景。

這項研究的設計靈感與鐘豪章個人的經歷有很大關系。鐘豪章是福建龍巖人。“但說來也有些慚愧，在 2021 年之前，我從未真正走近去了解過土樓。”其表示。那年年初，鐘豪章愛人堅持帶他去參觀福建永定的土樓群，親眼所見后深受震撼：土樓墻體厚達三米，有些甚至是幾代人接力完成建造，充滿堅韌與智慧。而墻體結構中黃泥、木片與石塊交錯堆疊的樣貌，又讓鐘豪章不禁聯想到自己老家農村的土房子，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。一次偶然的實驗中，他和所在團隊發現經過特定設計的 3D 打印前驅體，在去合金處理后形成了一種獨特的結構：表面是納米多孔的“填充體”，內部卻保留了一部分不可腐蝕的“骨架”結構。這種“骨架–填充體”的構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建筑中蘊含的結構智慧，或許可以轉化為現代材料設計的靈感來源。研究團隊順著這個方向繼續深入研究，最終通過實驗驗證了這一設計策略在性能上的顯著優勢。這段經歷，不僅連接了鐘豪章個人的故鄉記憶，也讓傳統文化與前沿科技在實驗室里真正相遇。

而本次研究實際上是研究團隊此前發表于《今日材料》的一篇論文的延伸。在那項研究中，研究團隊通過模擬與理論分析發現，引入分級結構是提升金屬超材料力學性能的有效途徑。結合 3D 打印與去合金技術，恰好為構建這種分級結構提供了可控、可實現的工藝路徑。因此，研究團隊以此為基礎，啟動了這項新的研究。

然而在研究過程中，研究團隊有了一個意外發現：3D 打印形成的金屬前驅體在后續去合金過程中會出現明顯的成分偏析。這種偏析并非研究團隊最初刻意設計的，但它在去除可去合金相后，保留下來的骨架結構極大增強了材料的強度。這種“骨架–填充體”的構型也正是前一個問題中提到的、與福建土樓墻體結構極為相似的設計。這一巧合進一步啟發了研究團隊將傳統建筑智慧融入現代材料設計思路，并最終形成了這項兼具科學性與文化意涵的研究。

鐘豪章表示，這項工作的最初出發點，其實是為了驗證“分級結構可以強化超材料”這一設想。研究團隊投入了很多精力，也完成了不少實驗和模擬，但就在準備成稿的時候，發現已有相關文獻搶先發表了類似的結果。當時確實感到有些失落，團隊也陷入了一段長達近一年的“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，研究團隊忽然意識到：研究團隊樣品中這種類似福建土樓墻體的“骨架–填充”結構，也許并不是一個偶然的現象，而是一種全新的強化機制。帶著這個猜想，研究團隊重新投入研究，通過理論計算和宏觀結構模擬，發現這種“類土樓拓撲”確實能夠提供強大的力學支撐和結構穩定性。

這一意外的發現不僅扭轉了原本陷入瓶頸的研究，也讓研究團隊從“模仿已有設計”走向了“發現獨特機理”的全新方向。它重新點燃了研究團隊對這個課題的熱情，也讓研究團隊真正體會到科研的魅力往往就藏在“偶然”和“轉念一想”之間。

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