王涵

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

隨著2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了石墨烯的發(fā)明者——兩位英國(guó)物理學(xué)家安德烈和康斯坦丁，一時(shí)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(lái)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)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（科學(xué)技術(shù)）獲獎(jiǎng)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(xiàng)目“石墨烯材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)研究”獲自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

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

追蹤材料熱點(diǎn)

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱(chēng)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(lái)，“盡管石墨烯材料基礎(chǔ)性能非常好，很多實(shí)驗(yàn)和理論也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，但從應(yīng)用層面來(lái)講還是有瓶頸的，首先就是它的制備。一個(gè)新材料不經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，它的制備技術(shù)是很難完善的。”他介紹說(shuō)，“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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)?！?/p>

此次朱宏偉團(tuán)隊(duì)的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目“石墨烯材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)研究”，便是圍繞石墨烯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(cè)和納米環(huán)境應(yīng)用中的使用性能。

項(xiàng)目揭示了石墨烯“多功能”光電作用機(jī)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了石墨烯-硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池模型，闡明了該異質(zhì)結(jié)的基本原理，開(kāi)辟了石墨烯太陽(yáng)能電池研究的新方向，并已發(fā)展為基于石墨烯的太陽(yáng)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(guó)際上26個(gè)小組借鑒并進(jìn)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(jì)劃60余位科學(xué)家撰寫(xiě)的年度報(bào)告中被作為重點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)述。

同時(shí)，朱宏偉團(tuán)隊(duì)還提出了“滑動(dòng)+裂化+回復(fù)”應(yīng)變傳感新機(jī)制，設(shè)計(jì)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(guò)宏觀(guān)編織結(jié)構(gòu)和微觀(guān)多晶形貌的合理設(shè)計(jì)，顯著提升了薄膜石墨烯的應(yīng)變響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏，系統(tǒng)闡明了該類(lèi)應(yīng)變傳感的作用機(jī)制，推動(dòng)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(kāi)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(guò)程，系統(tǒng)研究了離子選擇性跨膜傳輸過(guò)程，深入探究了不同離子的選擇性滲透機(jī)制，推動(dòng)了氧化石墨烯薄膜在污水處理及循環(huán)利用、海水淡化、過(guò)濾分離、能量轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存等領(lǐng)域的應(yīng)用。被膜材料領(lǐng)域?qū)＜以u(píng)價(jià)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(píng)述。

“我們研究的出發(fā)點(diǎn)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(jì)方法；第三是要面向未來(lái)的智能應(yīng)用。石墨烯材料本身柔、輕、薄的特點(diǎn)，就是未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。”朱宏偉介紹，考慮應(yīng)用不僅要從整個(gè)領(lǐng)域關(guān)心的問(wèn)題開(kāi)始，同時(shí)還要瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求問(wèn)題，比如能源以及環(huán)境問(wèn)題。

2015年10月28日，由青島國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)、中國(guó)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(guó)國(guó)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(kāi)發(fā)的Functional graphene membranes for water purification項(xiàng)目獲得年度總冠軍。該項(xiàng)目開(kāi)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(yán)重、人類(lèi)面臨水源危機(jī)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(jiǎng)，并且入選全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文，參與主持的項(xiàng)目還曾獲得2006年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)……

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(duì)此其實(shí)一無(wú)所知，更談不上有任何興趣。當(dāng)導(dǎo)師問(wèn)他知道什么叫“巴基管”時(shí)，他還誤以為是晶體管。

可就是在最初缺乏興趣、實(shí)驗(yàn)室條件極其惡劣的情況下，朱宏偉仍然堅(jiān)持了下來(lái)，并漸漸地從中找到了樂(lè)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(jué)中培養(yǎng)起來(lái)了。正是憑借這樣一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，他驚奇地發(fā)現(xiàn)了一些長(zhǎng)達(dá)20厘米的碳納米管，這是當(dāng)時(shí)世界上發(fā)現(xiàn)的最長(zhǎng)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(yù)——特等獎(jiǎng)學(xué)金。同時(shí)，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(huì)議論文2篇，國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)，美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)。

“在科學(xué)研究中，當(dāng)你處于絕望的邊緣的時(shí)候，離成功就不遠(yuǎn)了”，在朱宏偉看來(lái)，做科研90%都是失敗的，這是一個(gè)常態(tài)，而成功就源自于在一次次失敗中所積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，最重要的便是對(duì)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(tuán)隊(duì)之間的合作也越來(lái)越重要。尤其是要將一個(gè)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(tuán)隊(duì)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(jì)劃重大項(xiàng)目“石墨烯溫度流量一體化傳感器件研制”歷時(shí)兩年研發(fā)，取得重要進(jìn)展。

該項(xiàng)目針對(duì)熱力系統(tǒng)檢測(cè)用流量、溫度傳感器的應(yīng)用需求，通過(guò)對(duì)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(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態(tài)對(duì)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(jì)，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(wèn)題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用。

“我們這個(gè)項(xiàng)目就是一個(gè)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(hù)參與，我覺(jué)得是很有代表性的。”朱宏偉介紹道。

“其實(shí)我是一名教師”

2015年12月，孫鵬斬獲2015美國(guó)MRS秋季會(huì)議研究生獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)；2014年10月，李虓博士論文入選施普林格出版社Springer Theses叢書(shū)；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(kāi)朱宏偉牽頭的納米實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)，大量關(guān)于學(xué)生獲獎(jiǎng)、論文發(fā)表的信息撲面而來(lái)，這是一支年輕且富有創(chuàng)造力的團(tuán)隊(duì)。

“我對(duì)我們實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展還是很有信心的”，采訪(fǎng)中朱宏偉曾多次提到。面對(duì)現(xiàn)在鼓勵(lì)高校教師創(chuàng)業(yè)的時(shí)代趨勢(shì)，朱宏偉仍然保持自己的初衷。

“人的精力都是有限的，過(guò)于分散的話(huà)在某一個(gè)方面必定會(huì)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(guò)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(méi)那么多時(shí)間跟學(xué)生在一起，但我還是喜歡在學(xué)校當(dāng)一個(gè)老師，平時(shí)教教課、寫(xiě)寫(xiě)文章，和學(xué)生待在一塊。”朱宏偉說(shuō)道。

對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)，朱宏偉采取的也是“放羊式”管理，不會(huì)天天監(jiān)督、讓學(xué)生匯報(bào)工作或者規(guī)定指標(biāo)等?！皬目蒲械焦芾?，我們一般都是自由的，包括選題都是以他們?yōu)橹鳌Ｈ绻麑?shí)在無(wú)法選擇，最后再由大家開(kāi)會(huì)討論的時(shí)候一起確定?！敝旌陚フf(shuō)道，“管理上雖然很自由，但學(xué)生們也都非常自覺(jué)?！?/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(duì)學(xué)生的要求就比較高，我對(duì)他們的要求會(huì)更高，底線(xiàn)不能丟?！敝旌陚?qiáng)調(diào)，對(duì)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(huì)和課題組學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，指導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的方法做實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)，這種言傳身教讓課題組的成員迅速成長(zhǎng)。雖然肩負(fù)著科研工作和家庭的壓力，但是他還是投入大量時(shí)間完善實(shí)驗(yàn)室的管理。為了保障實(shí)驗(yàn)室的安全，他根據(jù)自己多年實(shí)驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)，親自起草了實(shí)驗(yàn)室各種設(shè)備的操作規(guī)范，對(duì)每一種設(shè)備都給出了詳細(xì)的操作步驟。這一整套操作規(guī)范有效地保證了實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行，降低了安全隱患，實(shí)驗(yàn)室里研究生們對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全更放心了。這套操作規(guī)范還得到了其他實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可，同學(xué)們紛紛前來(lái)學(xué)習(xí)交流。

“2008年起我們實(shí)驗(yàn)室就在做石墨烯研究，去年開(kāi)始轉(zhuǎn)向了更多的二維材料。因?yàn)槭┓浅衢T(mén)，一個(gè)東西太熱的話(huà)就會(huì)開(kāi)始走下坡路，所以我們既要跟蹤熱點(diǎn)，也要回避它?！敝旌陚ソ榻B。

科技的最高成就在于應(yīng)用，對(duì)于朱宏偉而言，這亦是他最大的目標(biāo)?！耙氚岩粋€(gè)技術(shù)真正推廣確實(shí)很難，一定要和外面合作，要有一個(gè)非常大的團(tuán)隊(duì)。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(duì)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(méi)人管了，如果老師不去推動(dòng)的話(huà)，這個(gè)成果就沒(méi)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(wèn)題。”朱宏偉說(shuō)道。盡管轉(zhuǎn)化之路異常艱辛，但對(duì)這支朝氣蓬勃的團(tuán)隊(duì)，朱宏偉依然充滿(mǎn)了信心。