上海交大以福建土楼为灵感开发新材料，已成立初创公司获FDA认证

福建土楼启发一篇顶刊！

近日，上海交通大学博士毕业生钟豪章和所在团队验证了分级结构对金属超材料的显著强化作用，更重要的是他们意外发现了一种全新的结构构筑机制。通过将冶金学中的成分偏析现象、去合金技术以及 C 类超材料设计理念有机结合，研究团队成功在纳米多孔铜基体中引入了“不可腐蚀骨架”结构，相关论文于日前发表在《先进材料》

这一过程的核心在于：利用 3D 打印快速凝固过程产生的微观成分偏析，形成具备选择性腐蚀行为的前驱体；再通过去合金工艺，去除脆弱相、保留强化相，从而在纳米多孔网络中自发形成支撑骨架。这一机制开辟了一种跨学科融合的新路径，实现了从冶金偏析出发，经过去合金调控，最终导向功能型纳米多孔超材料的完整构筑路线。同时，这一新现象不仅拓展了人们对去合金行为的理解，也为高强度–高比表面积金属材料的设计提供了新的理论依据和工程手段。

这项研究成果具有非常广阔的应用前景。它不仅具备可与传统结构金属材料媲美的机械性能，还同时拥有超大的比表面积——每公斤材料的表面积可达约 4 个标准足球场，是许多现有纳米材料难以实现的水平。更重要的是，它的制备成本非常低，仅为常规纳米材料的十分之一，且不受尺寸限制，大尺寸批量制备完全可行，故能为实际应用提供坚实基础。

未来 3 到 5 年内，研究团队预计这一材料将在多个领域释放潜力。例如在电子散热器方面，超高比表面积有利于快速热交换；在药物传输与控释领域，其孔道结构可实现高效载药与释放控制；在催化与能量转换领域，其多孔结构提供大量反应位点，可提升效率；而在骨科植入体方向，其纳米多孔结构能够有效促进骨组织长入与骨整合，助力新一代智能植入器械的发展。

总的来说，这是一种兼具强度、功能与成本优势的金属材料，具备极大的产业化潜力和可持续发展前景。

这项研究的设计灵感与钟豪章个人的经历有很大关系。钟豪章是福建龙岩人。“但说来也有些惭愧，在 2021 年之前，我从未真正走近去了解过土楼。”其表示。那年年初，钟豪章爱人坚持带他去参观福建永定的土楼群，亲眼所见后深受震撼：土楼墙体厚达三米，有些甚至是几代人接力完成建造，充满坚韧与智慧。而墙体结构中黄泥、木片与石块交错堆叠的样貌，又让钟豪章不禁联想到自己老家农村的土房子，既陌生又亲切，这份印象非常深刻。

也是在同年 10 月份，钟豪章开始探索去合金纳米多孔金属的研究方向。一次偶然的实验中，他和所在团队发现经过特定设计的 3D 打印前驱体，在去合金处理后形成了一种独特的结构：表面是纳米多孔的“填充体”，内部却保留了一部分不可腐蚀的“骨架”结构。这种“骨架–填充体”的构型竟然与钟豪章在土楼中看到的墙体如出一辙。

这份意外的“重逢”，让钟豪章意识到中国传统建筑中蕴含的结构智慧，或许可以转化为现代材料设计的灵感来源。研究团队顺着这个方向继续深入研究，最终通过实验验证了这一设计策略在性能上的显著优势。这段经历，不仅连接了钟豪章个人的故乡记忆，也让传统文化与前沿科技在实验室里真正相遇。

而本次研究实际上是研究团队此前发表于《今日材料》的一篇论文的延伸。在那项研究中，研究团队通过模拟与理论分析发现，引入分级结构是提升金属超材料力学性能的有效途径。结合 3D 打印与去合金技术，恰好为构建这种分级结构提供了可控、可实现的工艺路径。因此，研究团队以此为基础，启动了这项新的研究。

然而在研究过程中，研究团队有了一个意外发现：3D 打印形成的金属前驱体在后续去合金过程中会出现明显的成分偏析。这种偏析并非研究团队最初刻意设计的，但它在去除可去合金相后，保留下来的骨架结构极大增强了材料的强度。这种“骨架–填充体”的构型也正是前一个问题中提到的、与福建土楼墙体结构极为相似的设计。这一巧合进一步启发了研究团队将传统建筑智慧融入现代材料设计思路，并最终形成了这项兼具科学性与文化意涵的研究。

钟豪章表示，这项工作的最初出发点，其实是为了验证“分级结构可以强化超材料”这一设想。研究团队投入了很多精力，也完成了不少实验和模拟，但就在准备成稿的时候，发现已有相关文献抢先发表了类似的结果。当时确实感到有些失落，团队也陷入了一段长达近一年的“科研真空期”。

但令人惊喜的是，正是在这个几乎要放弃的时候，研究团队忽然意识到：研究团队样品中这种类似福建土楼墙体的“骨架–填充”结构，也许并不是一个偶然的现象，而是一种全新的强化机制。带着这个猜想，研究团队重新投入研究，通过理论计算和宏观结构模拟，发现这种“类土楼拓扑”确实能够提供强大的力学支撑和结构稳定性。

这一意外的发现不仅扭转了原本陷入瓶颈的研究，也让研究团队从“模仿已有设计”走向了“发现独特机理”的全新方向。它重新点燃了研究团队对这个课题的热情，也让研究团队真正体会到科研的魅力往往就藏在“偶然”和“转念一想”之间。

总的来说，这项研究为他们打开了一个非常有前景的新方向，接下来研究团队有两条主要的拓展路径。

一方面，研究团队计划将这种“骨架–填充体”式的强化机制推广到更多金属合金体系中。例如探索铝、镁、钛等轻质合金，通过 3D 打印与去合金相结合，构建具备不同功能与力学性能组合的新型材料体系。如果能够在这些合金中复制或优化类似的结构策略，那么这类材料将不仅限于铜基体系，而是有望形成一个可推广的设计平台。

另一方面，研究团队也在积极探索其在实际应用中的突破口。得益于其超大的比表面积与良好的可加工性，该材料在催化剂载体、药物传输以及高效散热器等多个领域展现出极大潜力。研究团队计划围绕这些功能场景开展深入合作与验证实验，将实验室成果逐步推向实际应用。

钟豪章说道，这项研究的意义不仅仅是一个新材料，更是提供了一种可以跨材料、跨尺度应用的结构设计范式。研究团队希望未来能将它打造成一个兼顾基础研究与产业转化的长期发展方向。

在钟豪章看来，做基础研究最重要的是要遵从内心的热爱。哪怕所在团队暂时没有相关积累，也不应因此却步。如今获取知识的渠道非常丰富，科研生态也越来越开放，完全可以主动走出去，与在该方向有深入积累的团队交流合作。只有兴趣驱动的研究，才能真正沉得住气、经得起时间的考验。

同时，钟豪章也认为，如果有机会，基础研究应当尽可能向实际应用延伸一步。哪怕只是一个初步的验证或探索，也有可能为技术转化打下基础。当你能亲身感受到“学以致用”的那一刻，那种成就感是单纯的论文发表所无法替代的。对钟豪章来说，这种“从科研走向应用”的过程，是将兴趣、责任与价值感统一起来的最佳方式。

正因此，钟豪章在博士毕业当年（2021 年）创办了自己的公司——上海医钛科技有限公司。公司专注于超材料生成式设计模型的开发，致力于将人工智能与材料科学深度融合，推动新一代结构–功能一体化材料在医疗等领域的落地应用。目前，公司已获得国家级科技型中小企业认证，并入选上海市大零号湾优质科创企业榜单。基于研究团队自研的大模型设计平台，研究团队已开发出多款用于骨科治疗的超材料植入体产品，其中一款核心产品已成功获得美国食品药品监督管理局（FDA，Food and Drug Administration）注册认证，目前正在加速推进国内相关注册认证流程，力争尽快实现产品在国内外市场的落地转化。

而在未来，他希望以生成式超材料设计平台为核心技术，打造面向医疗、能源、航天等多个领域的多场景解决方案，持续释放超材料的工程化与产业化价值。

参考资料：

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