上海交通大学顾剑锋教授团队与澳大利亚RMIT马前杰出教授合作，成功破解纳米多孔金属在强度与加工尺度上的双重瓶颈

排行榜 2025年08月07日 08:26 0 aa

3D科学谷洞察

上海交通大学和RMIT的研究“把客家土楼的千年智慧压缩到纳米尺度”，首次在纳米多孔金属中同时破解“强度-功能-尺寸”的多重瓶颈，给出了一条可放大、可设计、可迁移的通用路线。应用场景包括：

• 催化：高比表面积+自支撑导电骨架，可直接作为无载体电极用于CO₂还原、电解水、燃料电池。

• 传感：三维连续孔道+金属导电网络，适配高灵敏度化学/生物传感器。

• 生物医学：可降解铜基骨架提供抗菌、促成骨功能，同时力学强度满足植入早期负荷需求。

• 超材料：利用激光打印的格栅构型，可进一步引入力学/声学/热学超构设计，实现结构-功能一体化器件。”

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202503701

新型骨架式纳米多孔铜材料

近日，上海交通大学顾剑锋教授团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）马前杰出教授团队，成功研发出一种新型骨架式纳米多孔铜材料（skeletal nanoporous copper, NPCu），其设计灵感正是来自于中国古代建筑瑰宝——客家土楼的墙体结构。该研究由钟豪章博士作为第一作者完成。

纳米多孔金属材料（NPMs）因其高比表面积与独特物理性能，在催化、电化学、传感与生物医学等领域具有重要应用前景。然而，长期以来，这类材料普遍存在“结构脆弱、尺度受限”的关键瓶颈——一方面高孔隙率导致力学强度低，另一方面传统制备方式难以扩展至宏观或复杂结构，严重制约其实用化进程。

近日，上海交通大学联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）共同开发出一种新型骨架式纳米多孔铜材料（skeletal NPCu），在结构强度、尺度可控性与功能性能之间实现突破性平衡。令人惊喜的是，其设计灵感源自中国古代客家土楼的墙体结构。

“我们从土楼‘竹木框架 + 土壤填充’的混合体系中获得启发。”研究团队表示，“在材料层面，我们设计了一种‘骨架–主相’的金属组织结构，通过冶金凝固调控形成可保留的骨架相，再通过去合金技术构建纳米多孔网络，从而获得类似于土楼墙体那样，既有支撑性，又具功能性空隙结构的金属材料。”

在此基础上，团队利用激光3D打印技术将该策略推广至可宏观成型的格栅结构，实现工程尺度下的超材料器件。测试表明，所制得的骨架式NPCu材料屈服强度达200 MPa，显著优于传统纳米的多孔金属材料；同时，其比表面积高达27.6 m²/g，为催化、电化学等多功能场景提供了平台基础。

该研究突破了长期困扰多孔金属的“强度–功能–尺寸”三重瓶颈，为纳米多孔材料的可制造性与实用化奠定了坚实基础。研究团队指出，该设计理念可扩展至其他合金体系，为开发多场景适用的新一代结构–功能一体化超材料提供通用范式。

图：受土楼结构启发的冶金–去合金–增材制造协同路径，用于超材料构筑

图：Skeletal NPCu与skeletal-free NPCu的结构表征与比较

研究团队长期致力于超材料方向的系统研究，涵盖力学超材料、热学超材料、生物医用超材料及结构–功能一体化材料体系。欢迎对超材料感兴趣的博士、博士后加入合作！

联系方式：

邮箱：gujf@sjtu.edu.cn zhonghaozhang@sjtu.edu.cn ma.qian@rmit.edu.au 电话/微信：18621502232、13917629227

钟豪章博士博士毕业于上海交通大学，并在该校完成博士后研究工作。主持国家公派留学基金、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金等多项国家及省部级科研课题。入选“上海市白玉兰人才计划”“浦江人才计划”“超级博士后”“春申金字塔人才计划”等省市级人才项目，并荣获欧盟“Marie Skłodowska-Curie Seal of Excellence”荣誉。长期专注于结构–功能一体化超材料的设计与应用研究，已以第一作者在 Advanced Materials, Materials Today, PNAS Nexus, npj Advanced Manufacturing, Scripta Materialia 等国际权威期刊发表论文15篇，并以第一发明人申请/授权国家专利25项。积极推动科研成果转化，开发的超材料已成功应用于骨科融合器植入体，并获得美国FDA注册认证（K232996）。创办的企业已获评为国家级科技型中小企业与国家级高新技术企业，持续推进基于大模型的超材料设计技术在医疗与散热等领域的产业化落地。

顾剑锋，上海交通大学长聘教授，材料改性与数值模拟研究所所长，上海市激光制造与材料改性重点实验室副主任。长期从事金属材料热处理过程的数值模拟、智能化工艺装备开发及先进合金组织–性能调控等方向的研究。近年来，带领团队系统性开展了面向热学、力学和生物医用等方向的超材料研究，聚焦结构–功能一体化设计及其工程应用。在Advanced Materials、Materials Today、Acta Materialia 等国际主流期刊发表论文250余篇，获国家发明专利50余项、软件著作权5项，研究成果获得国家级、省部级科技奖励5项。其中，“热处理数学模型和计算机模拟的研究与应用”获1999年教育部科技进步一等奖与2000年国家科技进步二等奖，“淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究”获2007年教育部技术发明一等奖。

马前教授（Prof. Ma Qian）澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）杰出教授，长期专注于3D打印与超材料领域研究，是国际材料制造与增材制造方向的重要学者。在 Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Materials Today、Acta Materialia 等国际顶级期刊发表多篇高水平论文，谷歌学术 H-index 为78，总引用次数超过30,000次（学术主页）。马前教授曾担任澳大利亚研究理事会（ARC）与新加坡国家研究基金会（NRF）评审专家，2022年荣获澳大利亚材料学会终身成就奖（该奖以“无金奖、唯银奖”的方式表达最高荣誉），同时也是美国材料协会（ASM International）与美国粉末冶金学会（APMI）的会士。FAPMI会士每年全球仅授予不超过两位科学家，代表其在国际粉末冶金领域的卓越影响力。

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