WILEY 人物访谈——南方科技大学刘吉博士

材料科学从古至今都在对人类的生活方式产生深远的影响,甚至可以直接影响文明的形态,而随着医疗技术的进步,材料科学对医疗领域的影响亦日渐深远。软材料,尤其是水凝胶类材料,有着与人体在化学/生物/力学等方面的高度相似性,被认可为人体技术领域最理想的材料体系之一。本周的Wiley人物访谈,我们访谈了一位优秀的青年科学家——刘吉博士。在软材料领域,尤其是水凝胶设计及应用方面,完成了很多有趣、有意义的工作,并创造性提出了“软材料极限性能设计理论”,被评为麻省理工科技评论2020年中国区“35岁以下科技创新35人”。接下来我们一起去看看软材料的世界,并感受一位青年科学家的科研历程。

人物简介

刘吉博士是麻省理工科技评论2020年中国区“35岁以下科技创新35人”、国家特聘青年专家、广东省高层次人才、深圳市海外高层次人才、英国材料、矿业与矿物学会会士、南方科技大学机械与能源工程系副教授。2013年在法国波尔多大学和比利时列日大学分别获得凝聚态材料物理化学和化学博士学位。2014-2019年先后在剑桥大学、麻省理工学院和哈佛医学院从事博士后研究,2019年9月全职加入南方科技大学独立建组,主要从事功能水凝胶设计与制造、水凝胶生物电子、水凝胶界面粘合、软材料3D打印等相关研究。迄今在Science Advances, Nature Communications, PNAS, Accounts of Chemical Research, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials等期刊发表论文40余篇,其中5篇文章入选ESI高被引论文。

软材料大显身手

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?您对哪些研究方向比较感兴趣呢?

刘吉(以下称LJ):我们课题组的研究旨在利用材料、力学、机械工程等多个领域的跨学科知识与技术,通过软材料的多尺度结构仿生调控和多种制造技术(如3D打印),实现极端力学性质的软材料的设计与制造,推进功能软材料在人体技术领域的发展,以应对人类社会在健康与可持续性发展等领域的重大挑战。我们现阶段的研究兴趣包括功功能软材料的仿生构筑、软材料极端力学、水凝胶生物电子、水凝胶界面粘合、水凝胶类器件的3D打印等

MVC:您对软材料有较深入的研究,并开创性地提出了软材料的极限性能设计理念,可以请您简单谈一谈该设计理念吗?

LJ:软材料的宏观性质不仅取决于化学组成和分子结构的设计,更加依赖于内部多级有序结构。生命体系在复杂度、有序度以及功能性上远领先于现有的人工设计体系,为了能设计出媲美自然的功能体系,除了材料自身的组成外,其内部结构的设计和构建也极为关键。我们近期的这个工作的(Advanced Materials, 2021,2102011)设计理念就是通过一种自下而上的构筑方法(比如冻融铸造),来实现水凝胶内部的类肌肉组织的有序结构,提高这类水凝胶材料在取向方向的极端力学特性,比如抗疲劳性质,实现传统水凝胶使用寿命的提高。

MVC:随着医疗技术的进步,化学材料在人体技术领域将发挥越来越重要的作用,您可以谈一谈软材料应用于人体技术有怎样的优势吗?

LJ:传统的医疗电子都是由金属、硅、陶瓷、玻璃和工程塑料组成,它们坚硬易碎且无法与生物体直接相容,这也向新兴生物电子的开发提出了极大的挑战。软材料,尤其是水凝胶类材料,有着与人体在化学生物力学等方面的高度相似性,被认可为人体技术领域最理想的材料体系之一。尤其是,近年来科研人员在功能水凝胶结构和性能的精准调控、水凝胶的界面粘合、以及水凝胶器件化等方面取得了大量的突破,也为水凝类软材料在人体技术的起到了非常积极的推动作用。

MVC:在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

LJ:我在过去的几年里面一直在专注的一个方向是软材料极端力学的研究,近年来非常多的工作都集中在高韧性软材料的设计与制造,但是软材料的极端力学行为(比如长期使用过程的抗疲劳特性)研究非常有限,而如何设计和制造具有抗疲劳特性的软材料的工作也非常少。在过去的几年里面(包括我在麻省理工学院的博士后研究和在南科大的独立研究),我和我的合作者们(比如我博士后期间的合作导师Xuanhe Zhao教授,前同事林少挺博士和刘心悦博士,以及我现在课题组的成员梁翔禹博士等)提出抗疲劳水凝胶的设计理念:让疲劳裂纹在扩展中遇到比破坏一层高分子链强韧得多的组分,比如纳米晶域(Science Advances 2019, 5, eaau8528Nature Communications, 2020, 11, 1071.)或者有序取向结构(PNAS, 2019, 116, 10244;Advanced Materials, 2021,2102011),实现超高疲劳阈值水胶体系的设计与制造,并证实了这些设计方法的普适性。

LJ:我在过去的几年里面一直在专注的一个方向是软材料极端力学的研究,近年来非常多的工作都集中在高韧性软材料的设计与制造,但是软材料的极端力学行为(比如长期使用过程的抗疲劳特性)研究非常有限,而如何设计和制造具有抗疲劳特性的软材料的工作也非常少。在过去的几年里面(包括我在麻省理工学院的博士后研究和在南科大的独立研究),我和我的合作者们(比如我博士后期间的合作导师Xuanhe Zhao教授,前同事林少挺博士和刘心悦博士,以及我现在课题组的成员梁翔禹博士等)提出抗疲劳水凝胶的设计理念:让疲劳裂纹在扩展中遇到比破坏一层高分子链强韧得多的组分,比如纳米晶域(Science Advances 2019, 5, eaau8528Nature Communications, 2020, 11, 1071.)或者有序取向结构(PNAS, 2019, 116, 10244;Advanced Materials, 2021,2102011),实现超高疲劳阈值水胶体系的设计与制造,并证实了这些设计方法的普适性。

科研之路

MVC:请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

LJ:我有幸在麻省理工学院和剑桥大学等地方学习和工作过,也有幸与一群非常优秀有天赋有活力的师长、同事、朋友一起共事,与优秀的人为伍,也时刻刺激着我不断的努力前行。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

LJ:我的研究方向从最开的高分子化学(博士期间)转到超分子化学(剑桥),然后又转到材料力学(麻省理工),每一次研究方向/领域的转变都让我备受挑战,当然每次顺利转型,都离不开师长的耐心教导和同事/朋友们的鼎力支持。

最大的感悟:那些打不垮你的终究会让你变得更加坚强。(正如尼采所言:杀不死我的,只会使我更强大)

MVC:科研之路是一条非常有意义的、却又十分坎坷的道路,这对科研工作者们有怎样的要求呢?

LJ:首先要有足够的热爱,因为有了这份热爱,才会不计得失的全身心投入;其次是足够努力,只有足够努力才有资格谈天赋;再次就是信念,我们要坚信我们的所有坚持都是有意义的。

MVC:年轻学子们初入科研之路,总会遇到很多挫折与困难,你对于年轻学子们如何摆正心态有什么建议吗?

LJ:科研其实也是一种修行,希望年轻的学子们能戒骄戒躁,真正领略科研之美,享受科研带来的乐趣。