化學(xué)是一門奇妙的學(xué)科，是物質(zhì)的藝術(shù)與魔法。在強(qiáng)烈的興趣引導(dǎo)下，我參加了英才計(jì)劃化學(xué)學(xué)科的遴選。一開始，對(duì)于入選我并沒有太大信心，但在老師和同學(xué)的鼓勵(lì)下，我一步步通過筆試、面試，最終進(jìn)入英才計(jì)劃的培養(yǎng)階段。

2022 年初，我參加了英才計(jì)劃的線上冬令營培養(yǎng)項(xiàng)目。冬令營的活動(dòng)內(nèi)容非常豐富，活動(dòng)期間，我見到了許多國內(nèi)頂尖的教授，都是以前在大學(xué)教科書上看到過名字的專家。此外，我還和來自天南海北的學(xué)員朋友討論了很多化學(xué)問題，也見識(shí)到了往屆英才學(xué)員的優(yōu)秀。這次活動(dòng)給我留下了深刻的印象，也激勵(lì)我奮發(fā)進(jìn)取，努力探尋化學(xué)學(xué)科的奧秘。

瞄準(zhǔn)布立岡結(jié)構(gòu)

2022 年1 月，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)舉辦的師生見面會(huì)結(jié)束后，我們化學(xué)小組在工作人員的帶領(lǐng)下參觀了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。初次來到大學(xué)校園，我非常激動(dòng)，參觀實(shí)驗(yàn)室的過程也讓我一飽眼福，各式各樣的實(shí)驗(yàn)藥品、各類新奇的實(shí)驗(yàn)裝置與儀器，讓我驚喜萬分。通過與導(dǎo)師溝通，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解學(xué)科前沿知識(shí)，我逐漸體會(huì)到了材料科學(xué)的強(qiáng)大魅力，最終決定選擇材料方向作為研究課題。

伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)水平的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)于新型高性能材料的需求越來越大。在航空航天、國防等科技工業(yè)領(lǐng)域，不僅要求提高材料的韌性、強(qiáng)度、抗沖擊等力學(xué)性能，更要求其向輕量化方向發(fā)展，使得傳統(tǒng)的金屬與陶瓷材料在強(qiáng)度、重量等方面面臨更多的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于沖擊等原因?qū)е虏牧掀茐闹饾u增多，研究與制備新型抗沖擊材料成為力學(xué)材料發(fā)展的重要方向。

自然生物在數(shù)億年的自然選擇過程中，為了滿足生存需要進(jìn)化出了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的生物材料。這些生物材料具有精密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，已經(jīng)成為材料學(xué)家和工程學(xué)家探索新材料、新方法的靈感來源。通過復(fù)制或仿造生物材料的組成與結(jié)構(gòu)，很多先進(jìn)的人工材料被合成、加工出來，這些受生物材料啟發(fā)而創(chuàng)造出來的先進(jìn)材料被稱為仿生材料。

螳螂蝦是一類古老的熱帶和亞熱帶海洋甲殼類動(dòng)物，相對(duì)于其他甲殼類動(dòng)物的一個(gè)明顯特征是存在一對(duì)非常適合近距離戰(zhàn)斗的胸部附足。其中一類采用鰲棒強(qiáng)力擊碎獵物，而且鰲棒抗沖擊，能夠承受數(shù)千次這樣的擊打。研究發(fā)現(xiàn)，這種驚人的承載能力源于鰲棒中的特殊結(jié)構(gòu)——螺旋結(jié)構(gòu)，這種螺旋結(jié)構(gòu)也被稱為布立岡結(jié)構(gòu)，可通過增加裂紋擴(kuò)展路徑、增加有效應(yīng)力范圍等方式，起到增韌效果，從而提升材料的抗沖擊性能。自然界中的生物具有多種螺旋角度，這些螺旋角度在不同的應(yīng)用環(huán)境下發(fā)揮著各自的作用。探究不同角度間螺旋結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能差異，引發(fā)了我的研究興趣。

3D 打印助力研究落地

3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展為解決仿生材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備問題提供了新思路。最終，經(jīng)過與師兄討論，確定將仿生螺旋結(jié)構(gòu)的3D 打印構(gòu)筑及抗沖擊性能研究作為我的研究課題。我計(jì)劃采用PLA 材料制備螺旋結(jié)構(gòu)樣本，實(shí)驗(yàn)的整體思路為建模、打印、測試、分析。

實(shí)驗(yàn)的第一步為建模。我自學(xué)了3DMax 軟件的基礎(chǔ)操作，在師兄的指導(dǎo)下，我利用常見的幾何體（長方體）及對(duì)象處理方法（旋轉(zhuǎn)、剪切、布爾運(yùn)算等），構(gòu)筑了具有不同螺旋角度（10°、20°、30°）的結(jié)構(gòu)模型。首先繪制出平行的一層長方體，將該層長方體不斷旋轉(zhuǎn)角度并與另一個(gè)長方體進(jìn)行布爾運(yùn)算，取相交的部分不斷堆疊。

然后，利用3D 打印機(jī)打印樣品。在師兄的幫助下，我通過熔融沉積3D打印機(jī)打印了實(shí)驗(yàn)樣品，在這一過程中，我學(xué)習(xí)了熔融沉積3D 打印的基礎(chǔ)原理，以及3D 打印機(jī)的基本操作，3 種螺旋角度的樣品各打印了5 個(gè)，供測試使用。隨后，使用擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，先測試螺旋角度為10°的樣品，隨后依次進(jìn)行相關(guān)角度的測試。

在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，我初步了解了Origin 軟件的功能和操作步驟，統(tǒng)計(jì)了在不同螺旋角度下材料吸收能量和沖擊強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并繪制了相關(guān)統(tǒng)計(jì)圖。結(jié)果表明，在螺旋角度為 10°～ 30°范圍內(nèi)，仿生螺旋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度隨螺旋角度的增大而增大。

未來可期

2022 年7 月下旬，學(xué)員進(jìn)行了英才計(jì)劃中期評(píng)議，這是自開展課題研究以來第一次直面導(dǎo)師匯報(bào)工作，我非常緊張。在開展評(píng)議前，我認(rèn)真準(zhǔn)備了PPT 和匯報(bào)文稿，并在家里反復(fù)練習(xí)，最終得到了導(dǎo)師認(rèn)可。

在英才計(jì)劃培養(yǎng)過程中，我有幸聆聽了很多專家的講座，開拓了視野。在中期評(píng)議匯報(bào)前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)下一代移動(dòng)計(jì)算與數(shù)據(jù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室 （LIN·KE）的特任副研究員閆宇博給學(xué)員作了題為“萬物互聯(lián)，智能世界”的科普講座，讓我看到了未來的世界，看到了科學(xué)技術(shù)的魅力。

經(jīng)過不斷的努力和學(xué)習(xí)，我一步步完成了自己的任務(wù)，并取得了不錯(cuò)的成果。感謝英才計(jì)劃提供的平臺(tái)，不僅讓我對(duì)大學(xué)生活有了更加直觀的了解，也讓我更加深入地了解了材料科學(xué)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)以后的學(xué)習(xí)方向有了更好的定位。面對(duì)未來的化學(xué)世界，我更加憧憬。

陳啟蒙

2022 級(jí)英才計(jì)劃化學(xué)學(xué)科學(xué)員

就讀于安徽省合肥市第八中學(xué)，2022 級(jí)英才計(jì)劃學(xué)員，師從俞書宏院士，完成研究課題“仿生螺旋結(jié)構(gòu)的3D 打印構(gòu)筑及抗沖擊性能研究”。