在大千世界中找寻科研灵感——记华中科技大学材料科学与工程学院教授黄威

郑 心 刘玉杰

相传早在大禹时期，我国古代的劳动人民观察鱼在水中可凭尾巴的摇摆而游动、转弯，于是他们就在船尾上架置了木桨，再通过反复观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。在欧洲，列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）通过研究鸟类飞行制造出第一个飞行器，400年之后，人们经过长期反复的实践，在1903年发明了飞机，使人类实现了飞上天空的梦想。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，被认为是人类仿生学的先驱，也是仿生学的萌芽。达尔文在《进化论》中提到：“物竞天择，适者生存”。自然界的万物经过数十亿年进化，得到了适应各种各样环境的先进结构与功能，非常值得材料科学家去研究和学习。

黄威正是研究仿生材料和结构的一名青年材料科学研究者，他主要从事高强度抗冲击生物和仿生复合材料的多尺度结构和力学性能研究，“我立足于高强度抗冲击性能，研究仿生复合材料，学习生物体的内在结构，努力将其中原理应用于实践，从而在国防领域和生命健康领域发挥重要的作用”。

开启研究之路

2013年，黄威从华中科技大学材料工程专业硕士毕业。为了能进一步深入研究生物材料，他决定出国深造，选定的学校是加州大学圣地亚哥分校（UCSD）。“UCSD所在的圣地亚哥地区是世界上生物科学和生物技术领域最强大的地区之一，而且坐落在海滩边，环境优美、气候宜人。如果能在这里学习，在科学研究上一定能得到极大的提升。”抱着这样的想法，2013年9月，黄威搭上了前往美国的飞机，一段未知的旅程在等待着他。

到美国后，黄威迅速投入学习中，在这里，他遇到了他的博士生导师——材料科学领域著名专家乔安娜·麦基特里克（Joanna McKittrick）。“教授问我选择什么课题，我说不知道，还在思考。而她也不催促我，只说要带我去海边转转，最后我们去了当地非常有名的斯克利普斯海洋研究所。”在斯克利普斯海洋研究所，黄威第一次看到了无脊椎动物和脊椎动物的标本收藏，其中有些鱼类已经绝迹，这些标本让他大开眼界，深受震撼。乔安娜导师告诉黄威，大自然是一个天然宝库，他们作为材料科学家可以在其中得到启发，去发现、寻找研发新材料的灵感。

黄威与妻子及导师乔安娜·麦基特里克（Joanna McKittrick）教授的合影

在这次短暂的参观之行后，黄威确定自己的研究方向，开启了他在仿生材料方向的研究之路。

“我在博士期间主要跟着乔安娜导师参与了美国空军科学研究办公室的多校联合资助（Multidisciplinary University Research Initiative，简称MURI）项目，总经费750万美元。”黄威介绍说，这一项目名叫“从趋同进化到工程应用：生物复合材料和仿生材料的多尺度结构和力学”，研究的是自然界生物经过几亿甚至几十亿年的进化后，在不同的条件下进化出一些相似的结构和功能以适应相应的环境。他们通过比较总结一些生物体的结构，研究其力学性能，一方面想弄清楚为什么几亿年的自然选择和进化会得到这些特殊的结构，在力学性能或者其他功能上有哪些优势；另一方面想把这些设计思想应用到人们日常生活中所用到的工程结构和材料中。

这是一个多学科交叉项目，里面涉及生物、化学、物理、材料和力学等各方面的知识，由来自各个领域的科学家共同合作，产出成果。参与到项目中的黄威在5年里也得到了长足的进步和成长，成为一个能够独当一面的研究者。2018年6月，他顺利从USCD博士毕业，迈向下一站——加州大学河滨分校。

神奇的生物

黄威选择河滨分校的原因很简单，因为MURI项目的总负责人大卫·基塞卢斯（David·Kisailus）在河滨分校当教授，“博士毕业后，我对这个项目很感兴趣，于是就去了大卫教授那里。”黄威解释说，他在河滨分校待了一年半后，又跟着大卫教授搬到了加州大学尔湾分校，期间一直从事抗冲击性能方面的研究。

黄威的主要研究对象是一种叫螳螂虾的古老甲壳动物。此种甲壳类动物有两个锤状的掠食附肢，称为“胳膊肘”（dactyl club），可用于猛击和粉碎猎物。“胳膊肘”在攻击时能够以80km/h的速度挥出有力的一击，同时保持自身完好无损。

为了进一步了解螳螂虾的抗冲击原理，黄威做了3个方面的工作。“一是结构分析，因为这个虾特别小，所以我们花了大量的时间研究它的结构，看看它的‘胳膊肘’是怎么组装出来的；二是力学测试，测试它是如何接受冲击的，吸收的能量有多大，拿出具体的数据；三是最难的，如何把它抗冲击的原理解析出来，通过理论计算、模拟冲击等一系列的实验，得到最后的成果。”黄威和研究团队采用透射电子显微镜和原子力显微镜检查了螳螂虾“胳膊肘”表面的纳米级结构和材料成分，确定表面的纳米颗粒是由有机（蛋白质和甲壳素）和无机（磷酸钙）纳米晶体交织而成的双连续结构。

“这种3D无机纳米晶体是一种介晶，就像乐高积木堆叠在一起一样，连接的地方在取向上有微小的差异。此种小角度晶界在高速冲击下的断裂可以吸收很大的能量，宏观层面能将穿刺深度减少一半。”黄威说道，“通过将此类微观结构与当前先进制造技术相结合，可以为具有广阔应用前景的新一代先进材料提供潜在的设计方案，以用于建筑物、防弹衣、飞机、汽车、舰船、风电叶片等的抗冲击振动及耐磨的涂层。”

以上研究于2020年以题为《一种天然抗冲击双连续复合纳米颗粒涂层》（A Natural Impact Resistant Bicontinuous Composite Nanoparticle Coating）的论文发表在《自然·材料》（Nature Materials）上，获得美国科学促进会主办的全球科学新闻发布平台“真相提示”（EurekAlert!）、美国物理学家组织网站（Phys.org）、美国《每日科学》（Science Daily）等主流学术媒体重点报道。

新的旅程

2021年7月，黄威结束了自己在加州大学尔湾分校的工作，前往香港科技大学机械与航空航天工程系担任助理教授。在香港的一年时间里，黄威把自己的重心放在教学工作上，他将过往几年的成果进行了总结，在著名期刊《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）上发表了一篇题为《由甲壳质支架组装的坚韧纳米生物复合材料》（Nano-Architected Tough Biological Composites from Assembled Chitinous Scaffolds）的文章。

回首过往十多年的研究历程，乔安娜教授是对黄威影响最深的人。“她可以说是我的科研引路人，我当时去美国，英语不好，也不会写论文，是乔安娜教授一遍一遍地指导我，帮助我修改，直到最终完成。她的严谨和耐心，我至今都记忆犹新。”很可惜的是，乔安娜教授已于2019年去世，但在黄威的心中，永远都会记得她。

而在生活中，黄威最想感谢的是爱人黄丽娟的支持。“我这么多年到处奔波，妻子都陪在我的身边，这让我很感动。”他在遭遇重大挫折的时候，偶尔也会埋怨说不想干了，而每当这种时候，妻子就会陪着他，或者建议他开车出去放松一下。“我记得读博的时候，我们最喜欢做的事就是出去自驾游，随心所欲地在美国西部跑上一圈，现在想起来是一段美好的回忆。”黄威感慨道。

2022年7月，黄威回到了自己的母校——华中科技大学担任教授。“再次回到武汉，回到母校任教，我感到非常荣幸。后续我也将继续仿生学的研究，进一步开发材料制备手段如三维打印等，将其应用到和我们息息相关的工程材料中，例如，面向祖国的重大需求，将仿生高强度抗冲击和耐磨材料应用于国防领域；另外，自然界材料巧妙的思想也可以应用到生物材料的设计和制备上，为我们的健康服务，例如骨骼和牙齿的修复材料。”

面向未来，黄威期待在华中科技大学这个平台继续聚焦仿生材料研究，并依托材料学院和材料成形及模具技术国家重点实验室，坚持四个面向，为祖国和人民贡献自己的力量。