上海交大以福建土樓爲靈感開發新材料，已成立初創公司獲FDA認證

福建土樓啓發一篇頂刊！

近日，上海交通大學博士畢業生鍾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現了一種全新的結構構築機制。通過將冶金學中的成分偏析現象、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，相關論文於日前發表在《先進材料》

（來源：鍾豪章）

這一過程的核心在於：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爲的前驅體；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形成支撐骨架。這一機制開闢了一種跨學科融合的新路徑，實現了從冶金偏析出發，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築路線。同時，這一新現象不僅拓展了人們對去合金行爲的理解，也爲高強度–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，是許多現有納米材料難以實現的水平。更重要的是，它的製備成本非常低，僅爲常規納米材料的十分之一，且不受尺寸限制，大尺寸批量製備完全可行，故能爲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，超高比表面積有利於快速熱交換；在藥物傳輸與控釋領域，其孔道結構可實現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展。

總的來說，這是一種兼具強度、功能與成本優勢的金屬材料，具備極大的產業化潛力和可持續發展前景。

圖 | 鍾豪章（來源：鍾豪章）

這項研究的設計靈感與鍾豪章個人的經歷有很大關係。鍾豪章是福建龍巖人。“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，鍾豪章愛人堅持帶他去參觀福建永定的土樓羣，親眼所見後深受震撼：土樓牆體厚達三米，有些甚至是幾代人接力完成建造，充滿堅韌與智慧。而牆體結構中黃泥、木片與石塊交錯堆疊的樣貌，又讓鍾豪章不禁聯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，鍾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，他和所在團隊發現經過特定設計的 3D 打印前驅體，在去合金處理後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”的構型竟然與鍾豪章在土樓中看到的牆體如出一轍。

這份意外的“重逢”，讓鍾豪章意識到中國傳統建築中蘊含的結構智慧，或許可以轉化爲現代材料設計的靈感來源。研究團隊順着這個方向繼續深入研究，最終通過實驗驗證了這一設計策略在性能上的顯著優勢。這段經歷，不僅連接了鍾豪章個人的故鄉記憶，也讓傳統文化與前沿科技在實驗室裡真正相遇。

而本次研究實際上是研究團隊此前發表於《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現，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，恰好爲構建這種分級結構提供了可控、可實現的工藝路徑。因此，研究團隊以此爲基礎，啓動了這項新的研究。

然而在研究過程中，研究團隊有了一個意外發現：3D 打印形成的金屬前驅體在後續去合金過程中會出現明顯的成分偏析。這種偏析並非研究團隊最初刻意設計的，但它在去除可去合金相後，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、與福建土樓牆體結構極爲相似的設計。這一巧合進一步啓發了研究團隊將傳統建築智慧融入現代材料設計思路，並最終形成了這項兼具科學性與文化意涵的研究。

（來源：鍾豪章）

鍾豪章表示，這項工作的最初出發點，其實是爲了驗證“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，發現已有相關文獻搶先發表了類似的結果。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牆體的“骨架–填充”結構，也許並不是一個偶然的現象，而是一種全新的強化機制。帶着這個猜想，研究團隊重新投入研究，通過理論計算和宏觀結構模擬，發現這種“類土樓拓撲”確實能夠提供強大的力學支撐和結構穩定性。

這一意外的發現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“發現獨特機理”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（來源：https://doi.org/10.1002/adma.202503701）

總的來說，這項研究爲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複製或優化類似的結構策略，那麼這類材料將不僅限於銅基體系，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。得益於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。

鍾豪章說道，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範式。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轉化的長期發展方向。

（來源：鍾豪章）

在鍾豪章看來，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，鍾豪章也認爲，如果有機會，基礎研究應當儘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，也有可能爲技術轉化打下基礎。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表所無法替代的。對鍾豪章來說，這種“從科研走向應用”的過程，是將興趣、責任與價值感統一起來的最佳方式。

正因此，鍾豪章在博士畢業當年（2021 年）創辦了自己的公司——上海醫鈦科技有限公司。公司專注於超材料生成式設計模型的開發，致力於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認證，併入選上海市大零號灣優質科創企業榜單。基於研究團隊自研的大模型設計平臺，研究團隊已開發出多款用於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督管理局（FDA，Food and Drug Administration）註冊認證，目前正在加速推進國內相關注冊認證流程，力爭儘快實現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爲核心技術，打造面向醫療、能源、航天等多個領域的多場景解決方案，持續釋放超材料的工程化與產業化價值。

參考資料：

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