福建土樓啟發(fā)一篇頂刊！

近日，上海交通大學博士畢業(yè)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fā)表在《先進材料》

（鐘豪章）

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(fā)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(xiàn)了從冶金偏析出發(fā)，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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)有納米材料難以實現(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(xiàn)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(fā)展。

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

圖 | 鐘豪章（鐘豪章）

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(lián)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)建筑中蘊含的結構智慧，或許可以轉化為現(xiàn)代材料設計的靈感來源。研究團隊順著這個方向繼續(xù)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(yōu)勢。這段經歷，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驗室里真正相遇。

而本次研究實際上是研究團隊此前發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(fā)現(xiàn)：3D 打印形成的金屬前驅體在后續(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(fā)了研究團隊將傳統(tǒng)建筑智慧融入現(xiàn)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）

鐘豪章表示，這項工作的最初出發(fā)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(fā)現(xiàn)已有相關文獻搶先發(fā)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)這種“類土樓拓撲”確實能夠提供強大的力學支撐和結構穩(wěn)定性。

這一意外的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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。

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

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

一方面，研究團隊計劃將這種“骨架–填充體”式的強化機制推廣到更多金屬合金體系中。例如探索鋁、鎂、鈦等輕質合金，通過 3D 打印與去合金相結合，構建具備不同功能與力學性能組合的新型材料體系。如果能夠在這些合金中復制或優(yōu)化類似的結構策略，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計平臺。

另一方面，研究團隊也在積極探索其在實際應用中的突破口。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域展現(xiàn)出極大潛力。研究團隊計劃圍繞這些功能場景開展深入合作與驗證實驗，將實驗室成果逐步推向實際應用。

鐘豪章說道，這項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、跨尺度應用的結構設計范式。研究團隊希望未來能將它打造成一個兼顧基礎研究與產業(yè)轉化的長期發(fā)展方向。

（鐘豪章）

在鐘豪章看來，做基礎研究最重要的是要遵從內心的熱愛。哪怕所在團隊暫時沒有相關積累，也不應因此卻步。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隊交流合作。只有興趣驅動的研究，才能真正沉得住氣、經得起時間的考驗。

同時，鐘豪章也認為，如果有機會，基礎研究應當盡可能向實際應用延伸一步。哪怕只是一個初步的驗證或探索，也有可能為技術轉化打下基礎。當你能親身感受到“學以致用”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“從科研走向應用”的過程，是將興趣、責任與價值感統(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計模型的開發(fā)，致力于將人工智能與材料科學深度融合，推動新一代結構–功能一體化材料在醫(yī)療等領域的落地應用。目前，公司已獲得國家級科技型中小企業(yè)認證，并入選上海市大零號灣優(yōu)質科創(chuàng)企業(yè)榜單。基于研究團隊自研的大模型設計平臺，研究團隊已開發(fā)出多款用于骨科治療的超材料植入體產品，其中一款核心產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）注冊認證，目前正在加速推進國內相關注冊認證流程，力爭盡快實現(xiàn)產品在國內外市場的落地轉化。

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

參考資料：

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