在材料的沃土上勤耕不輟

王涵

作為碳元素家族的新貴，石墨烯自2004年誕生以來就成為了“神奇材料”的代名詞。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%，被稱為“新材料之王”。

隨著2010年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了石墨烯的發(fā)明者——兩位英國物理學(xué)家安德烈和康斯坦丁，一時間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成為了越來越多科學(xué)家選擇的研究材料。

2015年12月1日，教育部科技發(fā)展中心公布了2015年度高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎（科學(xué)技術(shù)）獲獎名單，由清華大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師朱宏偉主持完成的項目“石墨烯材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)研究”獲自然科學(xué)獎二等獎。

“石墨烯材料不能直接拿來用，所以它的結(jié)構(gòu)設(shè)計就很重要，這個是跟應(yīng)用相關(guān)的，需要面向不同的應(yīng)用進行研究?！敝旌陚フf。從2008年回國之后，朱宏偉團隊便專注于石墨烯材料的可控制備與性能研究，學(xué)術(shù)問題涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、光電轉(zhuǎn)換、柔性器件、吸附過濾等方面。通過調(diào)控石墨烯與其它材料的表/界面相互作用，團隊探索了石墨烯在納米能源、納米探測和納米環(huán)境應(yīng)用中的性能。

追蹤材料熱點

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”。盡管科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，但在朱宏偉看來，“盡管石墨烯材料基礎(chǔ)性能非常好，很多實驗和理論也驗證了這一點，但從應(yīng)用層面來講還是有瓶頸的，首先就是它的制備。一個新材料不經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它的制備技術(shù)是很難完善的?！彼榻B說，“我們現(xiàn)在做的就是：第一，尋找石墨烯材料的制備新方法；第二，面向不同應(yīng)用對結(jié)構(gòu)進行再設(shè)計。”

此次朱宏偉團隊的獲獎項目“石墨烯材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)研究”，便是圍繞石墨烯結(jié)構(gòu)設(shè)計及光電材料、傳感材料和膜材料領(lǐng)域從事基礎(chǔ)研究工作，從材料“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”的基本關(guān)系出發(fā)，通過調(diào)控石墨烯及其與其他材料的界面相互作用，分別設(shè)計了“石墨烯/半導(dǎo)體”“石墨烯/高分子”“氧化石墨烯滲透膜”等結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上探索石墨烯在納米能源、納米探測和納米環(huán)境應(yīng)用中的使用性能。

項目揭示了石墨烯“多功能”光電作用機理，提出了基于“石墨烯/半導(dǎo)體”異質(zhì)結(jié)模型的光電材料與結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池模型，闡明了該異質(zhì)結(jié)的基本原理，開辟了石墨烯太陽能電池研究的新方向，并已發(fā)展為基于石墨烯的太陽能電池基礎(chǔ)模型之一?！笆?半導(dǎo)體”異質(zhì)結(jié)模型自提出后已被國際上26個小組借鑒并進行拓展研究，被列為石墨烯光電器件的6大代表性結(jié)構(gòu)之一，在歐盟石墨烯旗艦計劃60余位科學(xué)家撰寫的年度報告中被作為重點結(jié)構(gòu)進行評述。

同時，朱宏偉團隊還提出了“滑動+裂化+回復(fù)”應(yīng)變傳感新機制，設(shè)計了基于“石墨烯/高分子”彈性體模型的傳感材料與結(jié)構(gòu)。制備了基于編織結(jié)構(gòu)石墨烯的應(yīng)變傳感器，通過宏觀編織結(jié)構(gòu)和微觀多晶形貌的合理設(shè)計，顯著提升了薄膜石墨烯的應(yīng)變響應(yīng)，實現(xiàn)了超高靈敏，系統(tǒng)闡明了該類應(yīng)變傳感的作用機制，推動了新型應(yīng)變傳感材料的發(fā)展。

此外，他們還提出了氧化石墨烯滲透膜孔隙的精確控制方法，開發(fā)了基于“氧化石墨烯層片孔”自組裝模型的膜材料，將氧化石墨烯層狀結(jié)構(gòu)引入膜傳質(zhì)過程，系統(tǒng)研究了離子選擇性跨膜傳輸過程，深入探究了不同離子的選擇性滲透機制，推動了氧化石墨烯薄膜在污水處理及循環(huán)利用、海水淡化、過濾分離、能量轉(zhuǎn)化及儲存等領(lǐng)域的應(yīng)用。被膜材料領(lǐng)域?qū)＜以u價為水處理“膜材料領(lǐng)域的突破”，在海水淡化領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Desalination的3篇綜述中大篇幅引用評述。

“我們研究的出發(fā)點就是，首先一定要有自己的核心技術(shù)；第二是要有自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；第三是要面向未來的智能應(yīng)用。石墨烯材料本身柔、輕、薄的特點，就是未來應(yīng)用的發(fā)展趨勢?！敝旌陚ソ榻B，考慮應(yīng)用不僅要從整個領(lǐng)域關(guān)心的問題開始，同時還要瞄準(zhǔn)國家重大需求問題，比如能源以及環(huán)境問題。

2015年10月28日，由青島國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟等單位聯(lián)合主辦的2015中國國際石墨烯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽在青島落幕，由朱宏偉課題組和澳大利亞阿德萊德大學(xué)Dusan Losic教授聯(lián)合開發(fā)的Functional graphene membranes for water purification項目獲得年度總冠軍。該項目開拓了石墨烯薄膜在水凈化領(lǐng)域的應(yīng)用先河，在水體污染日益嚴重、人類面臨水源危機的今天，具有非常重要的意義。

執(zhí)著科研 合作創(chuàng)新

他是清華首位以第一作者身份在《科學(xué)》發(fā)表論文的研究生，他的博士論文獲清華優(yōu)秀博士論文獎，并且入選全國百篇優(yōu)秀博士論文，參與主持的項目還曾獲得2006年度國家自然科學(xué)獎二等獎……

如今，在碳納米管以及石墨烯領(lǐng)域取得不菲成就的朱宏偉，在最初接觸碳納米管的日子里，對此其實一無所知，更談不上有任何興趣。當(dāng)導(dǎo)師問他知道什么叫“巴基管”時，他還誤以為是晶體管。

可就是在最初缺乏興趣、實驗室條件極其惡劣的情況下，朱宏偉仍然堅持了下來，并漸漸地從中找到了樂趣所在，“興趣不是天生的，而是靠培養(yǎng)的”。

為了看清碳納米管的形態(tài)，他在悶熱狹小的暗室中不分晝夜地沖洗照片；為了得到準(zhǔn)確的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，他跑遍了北京市幾乎所有的材料分析中心……隨著科研的深入，朱宏偉的興趣也在不知不覺中培養(yǎng)起來了。正是憑借這樣一點一滴的積累，朱宏偉漸漸走出了自己的一片天。

2001年5月，在一次實驗中，他驚奇地發(fā)現(xiàn)了一些長達20厘米的碳納米管，這是當(dāng)時世界上發(fā)現(xiàn)的最長的碳納米管。一年后，朱宏偉以第一作者身份將這一成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志，這是首位清華研究生以第一作者的身份在這份雜志上發(fā)表文章。同年，他獲得了清華研究生的最高榮譽——特等獎學(xué)金。同時，僅在博士期間，他就發(fā)表論文32篇，其中SCI收錄28篇，EI收錄2篇，會議論文2篇，國家發(fā)明專利5項，美國專利1項。

“在科學(xué)研究中，當(dāng)你處于絕望的邊緣的時候，離成功就不遠了”，在朱宏偉看來，做科研90%都是失敗的，這是一個常態(tài)，而成功就源自于在一次次失敗中所積累的經(jīng)驗和知識，最重要的便是對科研矢志不渝的執(zhí)著精神。

在交叉學(xué)科迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，不同學(xué)科、不同團隊之間的合作也越來越重要。尤其是要將一個技術(shù)、產(chǎn)品推向應(yīng)用，產(chǎn)學(xué)研用之間的合作就更不可小覷。

近日，由清華大學(xué)朱宏偉團隊和北京華大智寶電子系統(tǒng)有限公司聯(lián)合承擔(dān)的北京市科技計劃重大項目“石墨烯溫度流量一體化傳感器件研制”歷時兩年研發(fā)，取得重要進展。

該項目針對熱力系統(tǒng)檢測用流量、溫度傳感器的應(yīng)用需求，通過對石墨烯傳感的作用與規(guī)律研究，突破了石墨烯材料在熱量表流量計應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，通過石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態(tài)對傳感性能調(diào)控，基于石墨稀材料的傳感工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制了大量程、高精度的流量、溫度傳感器，解決了現(xiàn)有傳感器表面結(jié)垢、功耗高、精度低等問題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統(tǒng)進行規(guī)模應(yīng)用。

“我們這個項目就是一個非常好的合作方式，不僅有基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究，還有用戶參與，我覺得是很有代表性的。”朱宏偉介紹道。

“其實我是一名教師”

2015年12月，孫鵬斬獲2015美國MRS秋季會議研究生獎銀獎；2014年10月，李虓博士論文入選施普林格出版社Springer Theses叢書；2013年6月，李昕明榮獲“清華大學(xué)研究生學(xué)術(shù)新秀”……打開朱宏偉牽頭的納米實驗室主頁，大量關(guān)于學(xué)生獲獎、論文發(fā)表的信息撲面而來，這是一支年輕且富有創(chuàng)造力的團隊。

“我對我們實驗室的發(fā)展還是很有信心的”，采訪中朱宏偉曾多次提到。面對現(xiàn)在鼓勵高校教師創(chuàng)業(yè)的時代趨勢，朱宏偉仍然保持自己的初衷。

“人的精力都是有限的，過于分散的話在某一個方面必定會有所欠缺。尤其是教師，不管你做什么，都應(yīng)該以教育為本，這才是第一位。不過這也跟性格有關(guān)，有些老師喜歡挑戰(zhàn)，喜歡創(chuàng)業(yè)，就沒那么多時間跟學(xué)生在一起，但我還是喜歡在學(xué)校當(dāng)一個老師，平時教教課、寫寫文章，和學(xué)生待在一塊。”朱宏偉說道。

對于學(xué)生的培養(yǎng)，朱宏偉采取的也是“放羊式”管理，不會天天監(jiān)督、讓學(xué)生匯報工作或者規(guī)定指標(biāo)等。“從科研到管理，我們一般都是自由的，包括選題都是以他們?yōu)橹?。如果實在無法選擇，最后再由大家開會討論的時候一起確定?！敝旌陚フf道，“管理上雖然很自由，但學(xué)生們也都非常自覺?！?/p>

“當(dāng)然，這種‘放羊式管理也是有前提的，事先的任務(wù)必須分配好。而且材料學(xué)院本身對學(xué)生的要求就比較高，我對他們的要求會更高，底線不能丟。”朱宏偉強調(diào)，對于學(xué)生的要求首先老師就得做到以身作則，不管是生活規(guī)律還是科研習(xí)慣都是如此。他每周都會和課題組學(xué)生交流實驗的進展，指導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法做實驗和分析實驗，這種言傳身教讓課題組的成員迅速成長。雖然肩負著科研工作和家庭的壓力，但是他還是投入大量時間完善實驗室的管理。為了保障實驗室的安全，他根據(jù)自己多年實驗積累的經(jīng)驗，親自起草了實驗室各種設(shè)備的操作規(guī)范，對每一種設(shè)備都給出了詳細的操作步驟。這一整套操作規(guī)范有效地保證了實驗的正常進行，降低了安全隱患，實驗室里研究生們對實驗過程中的安全更放心了。這套操作規(guī)范還得到了其他實驗室的認可，同學(xué)們紛紛前來學(xué)習(xí)交流。

“2008年起我們實驗室就在做石墨烯研究，去年開始轉(zhuǎn)向了更多的二維材料。因為石墨烯非常熱門，一個東西太熱的話就會開始走下坡路，所以我們既要跟蹤熱點，也要回避它。”朱宏偉介紹。

科技的最高成就在于應(yīng)用，對于朱宏偉而言，這亦是他最大的目標(biāo)?！耙氚岩粋€技術(shù)真正推廣確實很難，一定要和外面合作，要有一個非常大的團隊。做科研本身并不是特別難，關(guān)鍵就是怎么將它轉(zhuǎn)化成對人們真正有用的東西。很多博士研究生做的成果等他畢業(yè)后就沒人管了，如果老師不去推動的話，這個成果就沒用了。所以，如何將成果推向應(yīng)用就是我們現(xiàn)在必須解決的問題?！敝旌陚フf道。盡管轉(zhuǎn)化之路異常艱辛，但對這支朝氣蓬勃的團隊，朱宏偉依然充滿了信心。