一片荷叶里蕴藏着多少科学奥秘？今天在上海临港举行的2024世界顶尖科学家论坛·物质科学大会上，欧洲科学院院士、比利时那慕尔大学终身教授苏宝连和北京大学物理学院教授刘开辉在演讲中，都提到了荷叶给他们带来的创新灵感。凭借灵感和孜孜不倦的探索，苏宝连院士带领团队研制出多种“等级孔材料”，它们作为催化剂具有广泛的应用前景，可用于石油化工、化学品合成、环保等领域；刘开辉教授和同事们开发出单晶铜的产业化制备技术，有望让它取代多晶铜，应用于半导体、锂电池、光伏电池等领域，提升多种器件的性能。
仿生方法研制“等级孔材料”
“你们看，荷叶照片放大后呈现孔状层级结构，用来运输水和养分。叶子上的一些孔洞是纳米级，与较大的孔洞形成了层级结构，这种结构对生命活动至关重要。”苏宝连在演讲中，向观众展示了一张荷叶叶脉照片。
苏宝连院士在演讲中展示了荷叶叶脉照片。俞陶然摄
据介绍，早在1926年，美国传教士塞西尔·默里提出了定量描述树叶叶脉、人体血液循环系统等动植物生命中“等级结构”的思想。这一基于观察经验的发现被称为“默里定律”，但它的科学性不够完善，没有考虑物质传输中的质量变化。在很多年后的材料学研究中，科学家提出了“广义默里定律”，用于描述最优化“等级孔材料”中不同层级孔道之间孔径的精确关系。作为这个材料学领域的国际知名科学家，苏宝连带领那慕尔大学、武汉理工大学科研团队，深入研究“等级孔材料”的定量关系，为这类新材料的开发提供理论指导。“我们要研究材料设计的数学表达，把材料的结构、合成、性能等参数用函数表达出来，这样才能取代目前广泛采用的试错法，提高新材料研发的效率。”这位华人科学家说。为了实现这一目标，他采用仿生方法，研究荷叶等多种树叶叶脉的层级结构，在此基础上提出适用于“等级孔材料”的数学公式。循着这一研究思路，苏宝连团队近年来取得了很多科研成果。比如在2020年，武汉理工大学团队在《国家科学评论》上发表前瞻性观点文章，提出基于“广义默里定律”建立等级孔属性与“等级孔材料”性能之间定量关系的设想。这个团队已研制出具备高物质传输和扩散性能的“大孔—介孔—微孔”氧化锌材料，它在液相—固相、气相—固相和电催化体系中都展现出优异的性能。
单晶铜材料有望用于6G通信
刘开辉教授在演讲中也谈到了荷叶对他的启发：“荷叶具有超疏水表面，所以它表面的水珠呈球形。荷叶上的两个水珠合并成一个水珠后，就不会分开了，这是为什么呢？”原来，物理学中有一个术语叫“表面能”，荷叶的“表面能”很大，两个水珠合并后，这种能量就会不可逆地减小，让水珠无法再分开。
刘开辉教授介绍了荷叶水珠合并对他的启发。俞陶然摄
利用这个原理，刘开辉想到了制备单晶铜的一种方法——提高铜箔的温度，以减少液态和固态之间的界面，这样就有机会实现单晶铜的产业化制备。“在实验室里，科研人员可以制备公斤级的单晶铜，但如果要产业化，就必须开发出大规模制备技术。”他解释说。实现产业化后，单晶铜这种材料有什么应用价值？这位北大教授告诉听众，单晶铜材料内部不存在晶界，缺陷密度非常低，表现出优异的电学、热学和催化性能。与多晶铜相比，单晶铜的电阻和交流阻抗更低，在电力传输和电子工业领域有广阔的应用前景；单晶铜的柔韧性更好，在柔性电子线路领域的市场潜力很大。
刘开辉教授展示了他们团队制备的单晶铜材料。赖鑫琳摄
目前，刘开辉领衔的轻元素材料团队已入驻广东省级实验室——松山湖材料实验室，聚焦国家战略需求，研发高品质单晶铜箔、单晶石墨烯、单晶六方氮化硼薄膜的批量制备技术，建设高品质轻元素单晶材料的生产示范线。
“我们团队还创立了中科晶益公司，这是全球唯一一家产业化制备单晶铜材料的企业。”刘开辉说。经过市场调研，他发现这种材料在未来的6G通信领域大有用武之地，因为下一代移动通信所需的频率非常高，意味着芯片所用材料晶界之间的散射，会带来能量和信号的大量损失。如果通信芯片采用单晶铜材料，有望使性能大幅提升，在6G时代实现通信材料产业的升级。
原标题：从荷叶中得到创新灵感，华人院士和北大教授研究新材料取得突破
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