随着社会发展和生活水平的不断提高，各行各业对材料性能的要求也越来越高。材质、结构、功能单一的传统材料已远远满足不了社会的需求，追求多组分、多结构、多功能一体化的优质材料成了材料科学的发展方向，同时也给当前的材料设计、合成路线和方法带来全新的挑战。同世界各地的材料学家一样，上海交通大学“长江学者奖励计划”特聘教授张荻也在不断探索高新材料设计和制备的新思路、新方法，从自然界中取材成了他研制新材料的灵感来源。
学成归来 硕果满身
出生于西安的张荻，高中毕业后插过队也做过工人。在农村和工厂锻炼的几年中，张荻深感知识的重要，一边工作一边学习。1977年高考恢复，张荻作为改革开放后第一批考生，并考取了西安交通大学材料科学系。毕业那年，成绩优异的他又获得了教育部出国读研究生的机会，踏上了赴日本留学的旅程。在日本期间，他分获大阪大学硕士学位以及博士学位。1988年，学有所成的张荻回到祖国并在上海交通大学任教，现为上海交通大学特聘教授，2001年被聘为“长江学者奖励计划”材料学科的长江学者，金属基复合材料国家重点实验室主任。
回国后，张荻一直致力于先进金属基复合材料制备科学和遗态材料学的基础及应用研究，在主持和承担国家自然科学基金、国家973计划、国家863计划、国防项目、政府间国际科技合作项目的同时，张荻还同多所国际知名大学以及加拿大铝业集团、德国拜耳、英国摩根、美国陶氏化学、日本丰田汽车等一批国际知名公司建立了广泛的合作研究关系。
从事材料研究多年，在科研方面，他曾获得国防科学技术进步奖三等奖，分获上海科技技术进步一等奖和二等奖，上海市自然科学奖一等奖，国家级教学成果二等奖；先后担任《复合材料学报》副主编，《有色金属学报》、《金属学报》、《科学通报》、国际期刊Composites Science and Technology编委。
在教育领域，张荻也同样成绩斐然。经他指导的研究生论文1篇获全国优秀博士论文、4篇获上海市优秀博士论文，同时他还指导研究生获得第五届中国青少年科技创新奖以及教育部博士研究生学术新人奖。他本人也曾先后在日本Yuasa中央研究所、大阪大学超高压电镜中心、京都大学材料系、佐贺大学电子系、法国特鲁瓦技术大学、德国Max-Planck金属研究所作访问学者和教授。
遗态材料 源于自然
大自然是人类赖以生存的基础和智慧的源泉，也是人类的创造宝库。在长达亿万年的进化过程中，大自然中的各种生物为了更好地适应环境，在激烈的生存竞争中胜出，进化出了极其丰富的生物分级结构来满足自身特殊功能的需求。
而材料学中出现的新概念—材料遗态学，正是源于自然界生物的启迪。据张荻介绍，材料遗态学是指借用自然界经亿万年进化的生物自身多层次、多维、多结构的本征结构，通过人工方法，变更其结构组分，制备出既保持自然界生物精细分级结构，又拥有人为赋予的新功能的新型结构功能一体化材料。
例如，某些光敏感物种对光和阴影的敏感度主要源于它们的臂骨拥有类似于双棱镜的设计特征；海老鼠的每个鬃毛均由六棱状微纤毛构成，这样沿纵向就产生了一种自然的类光子的晶体纤维结构；而蓝色大闪蝶发出的绚丽蓝色光泽，则是由组成其翅膀鳞片的具有不同折射率系数的甲壳素层和空气层交替层叠形成的光子结构形成的。
据张荻介绍，从材料角度来看，这些生物拥有形态迥异、尺度不一、结构精细、功能集成等众多特点，并且多成分、多功能的材质和多尺度、多维度的结构耦合的特质，无不证明它们是精细复杂的材料体；从生物结构上看，它们既是形状和结构复杂的天然复合材料，同时也是横跨微观尺度和宏观尺度的有机综合体，不同的生物结构具有独特的结构—功能关系、迥异的机械强度、空气动力学、光电磁声波以及丰富生物传感行为等功能特性。
“同人工合成的材料相比，自然生物结构与功能的统一是生物本身经过千百万年来的遗传进化而优化发展起来的，自然生物结构的高度精细化、结构与功能组合的微小尺度化、组织的高度分级化，无不体现了自然生物适应环境的独特结构与独特功能的匹配与统一。”张荻说，“这种结构和功能的集成化和一体化无疑为先进材料的设计和制备提供了借鉴意义。”
“师法自然”，自古以来向大自然学习是人类获取知识、汲取营养的最直接、最根本的方法和手段。然而遗憾的是，一方面，我们仍然缺乏对大自然系统科学的研究；另一方面，即使拥有现当代最高水准的科学技术和设备仪器，人类仍然难以效仿出大自然经亿万年优化而得来的精美细致的分级结构及其所具有的多功能特性。
为了摆脱传统材料设计的缺陷，并且能够快速、简洁地设计出结构与功能一体化的新型材料，金属基复合材料国家重点实验室遗态材料研究小组在张荻的带领下，开展了基于生物精细结构的遗态材料研究。张荻希望以自然生物为模板，利用物理化学方法传承生物精美、精细的结构和形态，同时改变其化学成分，从而制造出既保留自然界精细结构，又有人为赋予特征的新材料。
张荻说：“我们不仅希望通过传承生物精细结构能与材质耦合的效应制备出性能大幅提高的新材料，更重要的是开展转换结构与材质耦合效应机理等相关问题的基础和前沿探索研究。”
最初，研究小组以植物模板为主，制备出了具有鲜明植物结构特征、独特显微组织、组织结构可控、物理和力学性能可控的有序多孔无机纤维材料—植物纤维生态陶瓷，并建立了遗态材料的转换机制。
近年来，在张荻的启发和领导下，研究小组将目光从单纯的植物材料投向了整个自然界，特别是多尺度分级精细结构的生物材料，鸡蛋膜、蚕丝纤维、细菌和蝴蝶翅膀等都成为了张荻和其研究小组关注的对象。
使用各种遗态材料合成技术，张荻和研究小组制备了一系列氧化物和硫组化合物半导体复合材料，经过深入研究材料制备过程的作用机制，从而提出了功能遗态复合材料的分级结构形式原理。
张荻说：“遗态材料及其复合材料是涉及了化学、材料学、物理学、生物学等多学科交叉的研究，同时也囊括了陶瓷、金属、聚合物领域的一种新的设计理念和制备方式。通过优化的化合物、生物原始结构和可控气氛的人工耦合作用，控制生物模板材料中的化学反应来合成和复制生物结构、遗传其形态和物理结构，能够为今后实现设计和制备多维、多结构、多功能集成化和定向化的新型先进材料提供新的途径。”
科研成果 引领未来
张荻率领科研小组在国际范围内率先提出，可利用具有精细分级结构的蝶翅作为模板来制备染料敏化太阳能电池所用的二氧化钛光阳极组件。
“自然界的物种经过了千百万年自然选择的残酷竞争，已经进化出无数特殊相应的精细结构。从这些特殊结构中，我们能够获得制备新材料的灵感。”张荻说，“仅以蝴蝶为例，为了满足求偶和捕食的需要，它们进化出了色彩缤纷的翅膀；出于生存的需要，在一些气候寒冷的高海拔或高纬度地区的蝴蝶就将翅膀进化成黑色或者深褐色，这样它们就能吸收更多的能量，从而使自己的体温能够快速升到合适温度，增加自己的生存几率。”
那么，蝴蝶是如何让自己的翅膀更黑，最大限度吸收太阳光的能量呢？据张荻介绍，为了最大程度获得能量，蝴蝶进化出了多种巧妙的机制，某些蝴蝶不仅仅利用化学方式，即黑色素来获取能量，甚至还能通过物理方式，即利用一种特别的光学手段使其身上黑色的部分颜色更深从而获取更多的能量。
另外，张荻还提到了一种凤蝶科蝴蝶。据介绍，这种蝴蝶黑色的翅膀上，有一些具有准蜂窝结构的细微鳞片，能够让它最大限度的吸收可见光，平均吸收率在96%以上。张荻说：“蜂窝状鳞片结构具有类似光陷阱的作用，如同光在光纤中的传播，光进入蝶翅鳞片表面后，在其内表面反复反射吸收，相较于普通鳞片，它拥有更低的反射率和更高的光吸收率。”
受此启发，张荻的研究小组设计了一种全新的、具有高光捕获性能的太阳能电池的光阳极构件，并且进行了相关研究和验证。通过遗态工艺，以蝶翅鳞片为生物模板，研究小组成功获取了保留原始蝶翅结构的二氧化钛材料。
张荻经过进一步研究发现，相对于普通的二氧化钛薄膜，具有蝶翅结构的二氧化钛薄膜可以大幅度提高太阳光的光吸收率，用它来作光阳极，可以大大提高光采集效率，进而有望提高这类太阳能电池的光电转换效率。这项研究巧妙地将自然进化的精细特种结构与功能材料的设计、制备一体化结合在一起，为今后新型的染料敏化太阳能电池提供了全新的设计思想和实验依据。同时，这项研究也被国际众多科学网站引用报道，加拿大的“探索”频道还对此进行了专题报道。
为适应国家战略需求和学科发展，张荻研究小组在保持原有结构复合材料的基础上，拓宽了功能复合材料的研究与开发，形成了结构材料与功能材料并重的研究层次，制备出多种具有天然生物结构的生物分级构造新材料，在能源、国防、环境及光电功能等材料领域中开展了应用基础研究。
目前，张荻的研究小组在遗态材料及其复合材料的研究领域已取得了可喜成果，已申请和获得国家发明专利18项，在众多高影响力的国际期刊发表论文70余篇，撰写英文专著《启迪于自然的遗态材料》，为国际会议和学术交流会作学术和特邀报告10余次，先后6次入选国际期刊封面文章，9次入选国际期刊热门文章，6次入选国际期刊研究亮点。
遗态材料及其复合材料的研究突破了传统材料设计和合成制备科学的常规理念，为未来新材料和新结构的设计提供了前瞻性的思路，同时也为未来设计和制造具有独特结构、独特功能特性的新材料和新结构提供了理论依据和制造原型。