關(guān)偉

“我一般都是9點(diǎn)左右上班，上午處理郵件，到各大學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)站瀏覽最新研究動(dòng)態(tài)，有時(shí)需要參加一些會(huì)議，下午找學(xué)生討論研究進(jìn)展。晚上辦公室比較安靜了，我會(huì)寫寫項(xiàng)目書，給學(xué)生改改論文。以前一般晚上十二點(diǎn)左右回家，現(xiàn)在住得離單位遠(yuǎn)了，通常十點(diǎn)多回家?！壁w永生描述的自己一天的工作狀態(tài)，簡(jiǎn)單而忙碌。

走在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所園區(qū)，趙永生樸實(shí)的形象，很容易讓人把他誤認(rèn)為是一名學(xué)生。但現(xiàn)實(shí)中，趙永生是中科院化學(xué)所研究員、中科院光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，并在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)任教。

趙永生在國(guó)際上引領(lǐng)了有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件這一前沿交叉方向的研究。他用化學(xué)思想發(fā)展了新型光子學(xué)材料，推動(dòng)了有機(jī)激光材料在可穿戴器件與下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用;以有機(jī)材料的光子學(xué)特異性為突破口，他揭示了分子在凝聚態(tài)下特殊的激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，促進(jìn)了光化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。針對(duì)本領(lǐng)域研究需求，趙永生發(fā)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米光子學(xué)表征新技術(shù)，在多家高校、研究所及企業(yè)進(jìn)行推廣，顯著提升了我國(guó)在納米光電子領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力。

2021年9月，2020年度“北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”揭曉，趙永生榮獲2020年度“北京市杰出青年中關(guān)村獎(jiǎng)”。

做科研，離不開一位好的導(dǎo)師。在這方面，趙永生認(rèn)為自己是幸運(yùn)的。

在中科院化學(xué)所攻讀博士學(xué)位期間，趙永生師從姚建年院士。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，趙永生開始接觸有機(jī)光功能材料。博士期間，趙永生將色譜柱用的吸附劑引入氣相沉積系統(tǒng)，解決了有機(jī)小分子單晶材料的制備問(wèn)題，將有機(jī)低維材料的研究從無(wú)定型粒子拓展到了單晶體系。

2006年，趙永生博士畢業(yè)?！氨緛?lái)打算畢業(yè)后出國(guó)做博士后，但是手頭剛開始的比較重要的工作還沒(méi)有結(jié)束，而且沒(méi)有第一時(shí)間聯(lián)系到研究方向比較相關(guān)的課題組?！壁w永生說(shuō)，“姚老師建議我繼續(xù)留在組里做一段時(shí)間，建議我大膽做一些新的嘗試，爭(zhēng)取在博士工作的基礎(chǔ)上有實(shí)質(zhì)性突破?！?/p>

趙永生于是開始研究有機(jī)微納晶體材料的光子學(xué)行為。在接下來(lái)的幾個(gè)月時(shí)間，趙永生首次觀察到了有機(jī)一維單晶材料的光波導(dǎo)性質(zhì)和激光出射行為，后來(lái)報(bào)道了世界首例有機(jī)納米激光器?！蹲匀弧冯s志在其“News&Views”欄目專文介紹和評(píng)價(jià)了該研究成果。

在博士畢業(yè)后的半年里，趙永生所做的工作后來(lái)發(fā)表了一系列高水平論文，其中幾篇是有機(jī)納米光子學(xué)領(lǐng)域最原始的經(jīng)典工作，從此掀起了該領(lǐng)域此后十幾年的研究熱潮。文章中報(bào)道的一些關(guān)鍵性能參數(shù)成為后來(lái)本領(lǐng)域同行評(píng)價(jià)材料性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

博士畢業(yè)的第二年初，趙永生前往美國(guó)，先后在加州大學(xué)洛杉磯分校和西北大學(xué)從事博士后研究。“在國(guó)外的幾年間，除了學(xué)習(xí)一些先進(jìn)的科研經(jīng)驗(yàn)，更重要的是學(xué)會(huì)了對(duì)研究工作的獨(dú)立思考?！壁w永生回憶道。

留學(xué)期間，趙永生深受導(dǎo)師的啟發(fā)，樹立了“去做一兩件有用的事情”的夢(mèng)想?！拔蚁嘈胖灰Π凑者@個(gè)目標(biāo)去做，在今后的科研工作中，也會(huì)有機(jī)會(huì)做出一兩件改變生活方式的事情。”這個(gè)想法影響了他回國(guó)開展獨(dú)立研究工作時(shí)的選題方向。

2009年趙永生回國(guó)入職中科院化學(xué)所，致力于有機(jī)半導(dǎo)體光子學(xué)材料，特別是有機(jī)激光材料方面的研究。

早在2011年，趙永生課題組發(fā)現(xiàn)，有機(jī)材料的激子弗倫克爾激子（Frenkel?Excitons）跟無(wú)機(jī)材料的瓦尼爾（Wannier?Excitons）相比，具有較高的束縛能和穩(wěn)定性，可以在室溫甚至更高溫度下通過(guò)激子與光子的耦合形成一種半光半物質(zhì)的新的量子態(tài)——“激子極化激元”（Exciton?Polariton）。但在傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料中，這種耦合態(tài)的形成通常需要極低的溫度。

這種半光半物質(zhì)的量子態(tài)兼具光子和激子的屬性。光子本身是一種不帶電荷的玻色子，其行為很難進(jìn)行人為操縱，激子極化激元的形成，使得通過(guò)對(duì)激子的操縱來(lái)間接地操縱光子成為可能。

在2018年的一項(xiàng)工作中，趙永生團(tuán)隊(duì)首次利用靜電場(chǎng)對(duì)激子擴(kuò)散行為的影響，在單根有機(jī)半導(dǎo)體納米線中打破了光傳輸?shù)膶?duì)稱性。他們將單根有機(jī)單晶波導(dǎo)材料置于一個(gè)外加電場(chǎng)中，原本向納米線的兩個(gè)相反方向上等量對(duì)稱傳輸?shù)募ぷ樱陔妶?chǎng)作用下發(fā)生了重新分配，因此電場(chǎng)的引入可以同時(shí)打破光傳輸?shù)膶?duì)稱性，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)控制的光學(xué)二極管功能。

趙永生團(tuán)隊(duì)的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎(chǔ)

這是首次在微納結(jié)構(gòu)中通過(guò)外加靜電場(chǎng)調(diào)控光子行為來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，這一結(jié)果為實(shí)現(xiàn)對(duì)光子學(xué)功能器件的遠(yuǎn)程控制，優(yōu)化集成光子器件結(jié)構(gòu)提供了重要借鑒，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)-進(jìn)展》。

趙永生介紹，激子極化激元作為一種新的玻色子，可以展現(xiàn)出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）的量子現(xiàn)象。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是繼氣、液、固以及等離子態(tài)之后物質(zhì)的第五態(tài)，這種現(xiàn)象通常是在極低溫度下的冷原子中實(shí)現(xiàn)的。有機(jī)材料中的激子有可能在更高溫度，甚至室溫下實(shí)現(xiàn)BEC，從而表現(xiàn)出新穎的性質(zhì)，例如超流體、相干光產(chǎn)生等，在拓?fù)涔鈱W(xué)、量子調(diào)控等方面具有重要應(yīng)用。

2021年6月，趙永生團(tuán)隊(duì)在有機(jī)微納結(jié)構(gòu)中，首次實(shí)現(xiàn)了室溫下的激子極化激元玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

激子極化激元的產(chǎn)生需要特殊的微腔結(jié)構(gòu)，而目前所采用的微腔結(jié)構(gòu)器件尺寸大、難以控制激子極化激元的傳播。這對(duì)進(jìn)一步集成應(yīng)用帶來(lái)了困難。

為此，趙永生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一個(gè)新穎的結(jié)構(gòu)，來(lái)擺脫產(chǎn)生激子極化激元對(duì)外加微腔結(jié)構(gòu)的“剛需”。研究人員選擇一種具有平面剛性結(jié)構(gòu)并帶有側(cè)向取代基的有機(jī)分子，將其組裝成厚約百納米、寬度幾微米、長(zhǎng)度幾百微米的帶狀單晶結(jié)構(gòu)，發(fā)展出一種有機(jī)半導(dǎo)體單晶微米帶。

“這種形貌規(guī)整、表面光滑的微米帶可以充當(dāng)一個(gè)波導(dǎo)微腔，在光激發(fā)下，有機(jī)材料中的激子與微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合。”趙永生介紹。

在光激發(fā)下，有機(jī)材料中的激子與微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合，微米帶中產(chǎn)生大量的激子極化激元，在在有機(jī)分子振動(dòng)能級(jí)的輔助下，最終形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。

“這項(xiàng)工作取得了令人激動(dòng)的結(jié)果，將在有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)光電子學(xué)領(lǐng)域引起極大的研究興趣?！壁w永生團(tuán)隊(duì)的工作獲得了審稿人的高度評(píng)價(jià)。

趙永生表示，已有的研究證實(shí)，激子極化激元玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)有望成為“電泵浦激光”的有效途徑之一。團(tuán)隊(duì)的研究成果，將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎(chǔ)。

在做好化學(xué)交叉科學(xué)基礎(chǔ)研究的同時(shí)，趙永生團(tuán)隊(duì)致力于發(fā)展新型有機(jī)光子學(xué)功能材料，并探索它們?cè)诳纱┐髌骷c下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用，代表性的成果包括激光平板顯示與柔性光子皮膚。

當(dāng)前，顯示技術(shù)突飛猛進(jìn)，正向著更大、更亮、更艷麗、更輕薄、更震撼的下一代產(chǎn)品飛速發(fā)展。激光顯示具有全色域、高亮度、極限高清、真3D等優(yōu)勢(shì)，是繼陰極射線顯示、液晶顯示、LED顯示之后的下一代技術(shù)，被業(yè)界稱為“人類視覺(jué)史上即將到來(lái)的一場(chǎng)革命”。

激光顯示已經(jīng)在激光電視、激光影院等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商品化。然而，這種利用投影三基色激光的方式限制了激光顯示在手機(jī)等平板領(lǐng)域的應(yīng)用。將紅綠藍(lán)三色的微納激光作為單個(gè)像素，構(gòu)建主動(dòng)發(fā)光的全色激光陣列作為顯示面板，是發(fā)展平板激光顯示的關(guān)鍵。

針對(duì)激光平板顯示的關(guān)鍵需求，趙永生團(tuán)隊(duì)充分發(fā)展了精準(zhǔn)打印和印刷技術(shù)，構(gòu)建了紅綠藍(lán)微納激光陣列作為顯示面板，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)發(fā)光激光顯示，解決了當(dāng)前激光投影顯示無(wú)法用于手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的問(wèn)題。在制得的顯示面板上，每個(gè)像素點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的激光點(diǎn)。

利用這種自發(fā)光的激光面板還可以實(shí)現(xiàn)圖案的動(dòng)態(tài)顯示，用于信息滾動(dòng)播出、視頻播放等。該工作為發(fā)展高性能、易加工的平板激光顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-通訊》上。

無(wú)論是科幻世界里，還是在現(xiàn)實(shí)生活中，“人型機(jī)器人”都受到極大關(guān)注。而“人形機(jī)器人”不光要有人的外形，還得有能感覺(jué)的皮膚，像真正的人一樣擁有觸覺(jué)、溫覺(jué)和痛覺(jué)。

2021年7月底，趙永生團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)-進(jìn)展》上發(fā)表論文，宣布研制出了最新款的人造光子皮膚。趙永生團(tuán)隊(duì)首次提出用柔性有機(jī)激光材料制備出具有傳感功能的激光陣列的思路，并發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了這一思路，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出“三維支撐性微盤結(jié)構(gòu)”，最終展示了其類皮膚的機(jī)械傳感應(yīng)用。

當(dāng)前，繼利用柔性電子學(xué)原理設(shè)計(jì)的人造智能皮膚已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展后，柔性光子學(xué)原理成為吸引科學(xué)家關(guān)注的新方向?！肮庾訉W(xué)有非侵入性、超靈敏性、無(wú)電磁干擾以及并行處理等優(yōu)點(diǎn)，有望進(jìn)一步推進(jìn)人造智能皮膚的發(fā)展?！壁w永生表示。

前期工作中，趙永生團(tuán)隊(duì)圍繞有機(jī)激光材料開展了深入研究，并探索了柔性有機(jī)激光材料的可控加工，為最終實(shí)現(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)靈敏感知的功能，趙永生團(tuán)隊(duì)在透明的聚合物襯底上對(duì)許多微型有機(jī)微納激光器進(jìn)行“排兵布陣”。類似于電子屏幕上像素點(diǎn)越多分辨率就越高，激光器越多，則光子皮膚的“感覺(jué)”越細(xì)膩。

想要在類似皮膚的柔性襯底上構(gòu)筑“陣列”面臨嚴(yán)重的技術(shù)困難，在硅基材料加工領(lǐng)域相對(duì)成熟的光刻技術(shù)對(duì)于絕大多數(shù)的有機(jī)材料很難適用。為此，研究人員發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”，相當(dāng)于用一種特殊的“筆”把有機(jī)激光材料“寫”在襯底上。

在“寫”“陣列”的過(guò)程中，科研人員還發(fā)明了一種特殊的結(jié)構(gòu)?！叭绻延袡C(jī)微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關(guān)節(jié)活動(dòng)它可能會(huì)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)碎裂和變形，這樣會(huì)對(duì)光子學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。”趙永生介紹。

為此，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種三維的“支撐型微盤結(jié)構(gòu)陣列”。實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)能夠維持“皮膚”的機(jī)械穩(wěn)定性，不受關(guān)節(jié)活動(dòng)影響。同時(shí)，它還可以有效抑制光場(chǎng)向襯底的泄露，讓微盤腔具有較強(qiáng)的光學(xué)限域能力。

在概念性光子皮膚展示實(shí)驗(yàn)中，科研人員將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實(shí)現(xiàn)了多種手勢(shì)的識(shí)別。未來(lái)，這種新型柔性光子學(xué)芯片在人的本體感覺(jué)重構(gòu)、人機(jī)交互和機(jī)器人自保護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

趙永生在有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件等領(lǐng)域的多項(xiàng)創(chuàng)新性研究工作，得到了國(guó)內(nèi)外同行和學(xué)術(shù)團(tuán)體的廣泛認(rèn)可。在國(guó)內(nèi)，他已經(jīng)獲得了十余項(xiàng)有重要影響的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。其中他本人作為主要完成人獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（第二完成人）、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)（集體獎(jiǎng)突出貢獻(xiàn)者）、中國(guó)分析測(cè)試學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（第一完成人）等集體獎(jiǎng)項(xiàng);獲得的主要個(gè)人獎(jiǎng)項(xiàng)包括：2020年何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、2016年中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、2014年中國(guó)化學(xué)會(huì)-贏創(chuàng)化學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)、2014年中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)、2011年中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)等。

與此同時(shí)，趙永生還于2015年入選英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，同年獲得了英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦期刊設(shè)立的ChemComm未來(lái)科學(xué)家獎(jiǎng)，這是該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立十多年來(lái)首次授予亞洲地區(qū)的青年科學(xué)家。2013年，趙永生榮獲亞洲大洋洲光化學(xué)協(xié)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)，2014年獲中美化學(xué)教授協(xié)會(huì)杰出教授獎(jiǎng)。

作為博士生導(dǎo)師，趙永生也在做好研究工作的同時(shí)，特別注重對(duì)青年科技人才的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。目前，趙永生團(tuán)隊(duì)有20人左右的規(guī)模，過(guò)去10年培養(yǎng)了20多名博士研究生，其中有5人獲得中科院研究生的最高獎(jiǎng)——中科院院長(zhǎng)獎(jiǎng)，1人獲中國(guó)科學(xué)院百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)。

在培養(yǎng)的年輕人中，1人獲基金委優(yōu)秀青年基金支持。已畢業(yè)的博士生中，有10多人在國(guó)內(nèi)高校和研究所擔(dān)任教授、副教授，他們正在自己的教學(xué)科研崗位上，將團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)思想和科研態(tài)度進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大。閆永麗研究員是趙永生團(tuán)隊(duì)中的一員，2020年，閆永麗獲得北京市杰出青年基金支持。

“北京的科研氛圍是最好的，從基礎(chǔ)上來(lái)說(shuō)，也是最深厚的?！壁w永生表示，良好的科研環(huán)境，是促成成果涌現(xiàn)的重要土壤。

目前，北京是我國(guó)科技基礎(chǔ)最為雄厚、創(chuàng)新資源最為集聚、創(chuàng)新主體最為活躍的區(qū)域之一，擁有90多所大學(xué)、1000多所科研院所和近3萬(wàn)家國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。在北京的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有128家，每天設(shè)立的科技型企業(yè)超過(guò)300家，這決定了北京具備發(fā)展新賽道和未來(lái)產(chǎn)業(yè)的硬實(shí)力。

“十四五”期間，北京將充分發(fā)揮科技和人才優(yōu)勢(shì)，“鍛長(zhǎng)板、補(bǔ)短板”，堅(jiān)持“四個(gè)面向”，深化科技體制改革，推進(jìn)“揭榜掛帥”等新的科研組織方式，在前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多“0到1”的突破。

趙永生表示，團(tuán)隊(duì)將不斷努力，爭(zhēng)取產(chǎn)出更多重大成果，助力北京國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)。

趙永生，1979年3月生于山東省淄博市，本科畢業(yè)于青島大學(xué)，2006年在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，研究方向?yàn)槲锢砘瘜W(xué)、光電功能材料。其研發(fā)了世界上第一個(gè)有機(jī)納米激光器，突破了有機(jī)材料集成化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，發(fā)展了新型納米光子學(xué)表征技術(shù)，并進(jìn)行了技術(shù)轉(zhuǎn)化與推廣應(yīng)用。2021年9月榮獲2020年度“北京市杰出青年中關(guān)村獎(jiǎng)”。