李灵:探索生物多功能材料的奥秘,鱼和熊掌可以兼得 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

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李灵:探索生物多功能材料的奥秘,鱼和熊掌可以兼得 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-02-05

2020-02-05

李灵凭借其在生物材料领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主
生物 35岁以下科技创新35人
李灵凭借其在生物材料领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35 岁以下科技创新 35 人”榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

李灵:探索生物多功能材料的奥秘,鱼和熊掌可以兼得

李灵

发明家

李灵凭借其在生物材料领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:34 岁

获奖时职位:弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授获奖理由:他发现一系列多功能生物材料的设计原理,极大拓展了人们对生物材料的认知。

当今社会面临的诸多挑战,如水资源和能源短缺,其解决方案都与多功能材料的开发相关。但人们在开发新的多功能材料上,手段却乏善可陈。例如,人们如果想要一块透明的、兼具良好力学性能的材料,研发的手段往往还停留在传统试错上。

对于材料开发,取经自然界是一个好思路。生物材料都是为某些特定功能出现的,由一些简单的无毒元素在常温常压下构成,却有非常优异的性质,如质地坚硬耐磨的牙齿、透明且富有弹性的眼睛晶状物。如果人们能摸清生物材料的特定结构与功能的关系,将对开发新材料大有裨益。

弗吉尼亚理工大学的助理教授李灵,就在生物材料上取得了多项世界瞩目的研究。他发现了一种让贝壳既透明又异常坚硬的原理,而在传统材料上,透明与质地坚硬往往不可兼得。此外,他发现一种海洋生物能用矿物质生成可成像的眼睛,而由现存生物生成的矿物质成像的发现也属世界首次。

德国颇具盛名的马普胶体与界面研究所所长 Peter Fratzl 教授评论说:“在通常情况下,材料代表了相互矛盾的性能之间的折衷。这确实是一个多功能材料令人深刻的例子。”

李灵告诉《麻省理工科技评论》中国,他在读博时就希望找到兼具光学、力学优异性能的材料。一种名为 Placuna placenta 的贝壳映入眼帘:它的外壳 99% 由方解石构成,却能承受 10 倍于方解石的冲击,同时保持透明。

经研究发现,这种贝壳由 1000 多层方解石晶体构成,每层厚 100 多纳米,但层与层之间的界面只有一两纳米。这使得光线穿梭其间而不会被界面散射,能高度透明。同时,方解石层在受到外力时会产生栾晶,分散受力,同时能够与分布其间的有机物共同作用防止裂纹扩散,就像安全玻璃层间的有机物一样粘住材料。这使得它具有优异的抗损伤力学性能。

这项研究最终发表在《自然-材料》、《先进材料》和《先进功能材料》上。

李灵的另一项重大研究,是发现某些贝类生物具有可成像的矿物质眼睛。这些生物生存在水陆两栖环境中,通过坚硬的壳上某些晶体结构来成像,结构直径不足 1/10 毫米。李灵的团队不仅确定其能成像,还用X射线断层扫描,确定了其三维结构、透镜的晶粒尺寸、晶体取向等。

这项研究登上了《科学》杂志的封面报道,Peter Fratzl 教授称,“它同时利用矿物质来聚焦光线并提供保护,非常令人惊讶”。李灵表示,这种眼睛在近一千万年才进化出来,对研究眼睛的进化有很大帮助,因此能吸引材料、生物学等多个领域的目光。

在这些研究外,李灵在生物与仿生材料领域还有其他一些突出的贡献。比如说,李灵和他的研究团队发现了生物界第一种矿化的光子晶体。此前人们知道蝴蝶翅膀上的几丁质能形成光子晶体,但对矿物质方面一无所知。李灵和他的合作团队还找到一种方法,能通过仿生手段精准控制纳米矿化复合物的结晶、生长和三维样貌。这项研究发表在《科学》和《美国科学院院刊》上。

李灵表示,我们对生物材料的深入认识将会对开发新材料大有作用。比如说,最近,李灵带领他的科研团队系统研究了一种独特的生物柔性盔甲。这是一种在贝类生物发现的材料系统,它能够提供力学保护同时又很柔软。李灵团队在基于对这个生物材料的深入研究之后,开发出了一种全新的仿生柔性盔甲。下一步,李灵希望侧重研究轻质多孔材料,这类材料像生物骨骼一样兼具轻和结实的特点。同时,生物构建材料的复杂结构的原理也是李灵团队研究的一个重点。他希望有一天,人们能够通过类似生物合成材料的途径来制造新型材料。

麻省理工科技评论

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