作者：王韫绮
摄影：季俊辉
“蝴蝶没有人教，也不上学，它自己就会在鳞片上长出很多光陷阱。”
中国科学院院士、上海交大讲席教授张荻在讲台上说出这句话时，台下的高中生们笑了。
九月是上海市“全国科普月”，虹口区“大师课堂——院士专家进校园”作为科普月首周重点活动之一，率先拉开帷幕。9月1日下午，中国科学院院士张荻走进上海财经大学附属北郊高级中学，以“向自然学习的材料”为题，为一百多名师生带来一堂科学与精神交织的“开学第一课”。
活动现场，虹口区对过去一年在科创活动中表现突出的优秀学生进行了表彰，并正式发布了区域科创“好问题”互动APP。简短的启动仪式后，张荻登台，开始了精彩的分享。
复合材料既在身边
也在星辰大海
人类文明的分期——石器、青铜、铁器——恰恰是以材料命名的。而今天，当单一金属的性能接近极限，科学家们开始做加法，在金属里加入碳化硅、碳纤维、石墨烯，“就像水泥里加钢筋”。这就是复合材料，张荻用一个形象的比喻，把复合材料的概念带到了学生们面前。
这些复合材料离我们的生活并不遥远。张荻以全球迪士尼乐园过山车的刹车盘为例，这种能承受反复急刹与磨损的部件，就是碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，密度仅为钢的三分之一，却更耐磨耐热。电动汽车的底盘、电池箱，高铁的轻量化部件，同样有它的身影。
但复合材料的舞台远不止于此。金属基复合材料大幅提升了强度、刚度和耐磨性，用此类材料替代传统铝合金，在发动机不变时，火箭有效载荷可从120吨增至144吨，相当于多搭载42辆月球车或16辆火星车。
“航天里的材料不是斤斤计较，是一克一克计较。”他引用钱学森先生六十年代的话。这句话背后，是他和他的团队数十年的坚持。实验室里，他和四五个博士生用了七年时间搭建理论模型，不需要每次去试验，只通过计算，就能确定哪些元素加进去能够达到想要的效果。
把自然界的鬼斧神工
“搬”进材料里
“真正的问题是什么？材料强了，塑性就差。”张荻话锋一转，点出复合材料的研究瓶颈。
为了解决这一难题，他选择向自然学习。铁甲虫的外壳由强度极低的蛋白质和几丁质构成，却能承受自身体重的3.9万倍，“相当于一个人扛着二十多架A380”，张荻说。贝壳的组分是95%的碳酸钙和5%的蛋白质，两种材料单独看都不起眼，但形成的砖砌结构让它的韧性比陶瓷高出了几个数量级。“我们家里的茶具掉地上会碎，但没人担心鲍鱼壳摔碎。”
鲨鱼皮表面凹凸不平，减阻效果却远超光滑表面；褐藻自己“长出”的离子通道，比人工制造的超级电容电极通道畅通数倍；生活在70度沙漠中的银蚁，靠微观结构完成辐射散热……
怎么把自然界的鬼斧神工“搬”进材料里呢？张荻展示了自己团队的工作，他们的研究从一种最寻常的生物开始——蝴蝶。全世界有17.5万多种蝴蝶，每一种都因生存环境不同而演化出独特的鳞片结构。他们从蝴蝶鳞片的“光陷阱”结构中获得灵感，将普通平板太阳能电池的光吸收效率提高百倍；用“置换反应”把蝴蝶变成金属，利用其天然三维结构做芬太尼快速检测，将检测时间从2小时缩短至2分钟，成本节省至一百元；还借助蝴蝶鳞片特有的结构色原理，开发出可随视角变幻色彩的美妆材料，为化妆品赋予自然灵动的光学效果。
看到不足的时候
就是创新的开始
张荻介绍，其团队仿造贝壳做成的复合材料，将韧性提高了三倍，但他表示人工仿生与自然界的差距依然巨大，自然界的贝壳结构将韧性提高了五十倍。
他勉励在座学子：“在科研做到顶点时，看到自己的不足，就会有发展，就会有创新。”他以此勉励在座学子，做研究就要做到极致，要敢于对标自然、对标最高标准。而这背后，更需要扎实的数理化功底，没有过硬的基础研究就看不到顶点，更看不清不足。同时，他也欢迎同学们到实验室亲自探索，把好奇变成行动。
演讲结束后的互动环节，学生们争相举手，围绕人工智能如何加速材料设计、实验室成果如何跨越到真实太空环境等踊跃提问。张院士耐心解答，现场掌声阵阵，科学的热情在校园中升腾。
来源：上海市业余科技学院（上海科学会堂服务中心）
审核：市科协科学技术普及部
