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      1. 碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授

        碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授
        本文刊發于《環球財經》2023年01月刊

        在人類出現在地球之前,便有了碳。有研究表明,地球上大部分的碳很可能是在太陽系原行星盤形成并變暖后,由彌漫的氣體云和微小固體粒子組成的星際介質所積累起來的。另外,在太陽系形成的最初100萬年內,小行星的不斷撞擊,也為地球上水和碳的到來,提供了來源途徑。迄今為止,地球上所有的生命,都是碳基生命。

        但人類認識到碳,是在發現火之后?;蛟S是閃電燃燒了森林,又或是火山爆發,迄今為止,科學家們探測到的最古老的野火,歸功于在威爾士和波蘭發現的4.2億年前志留紀晚期的木炭沉積物。人類與火開始的互動,是地球生命史的壯舉,也是人類接觸和利用碳元素的開始。北魏酈道元《水經注·卷十》云“石墨可書,又燃之難盡,亦謂之石炭”,東漢班固《漢書·地理志》錄“豫章郡出石,可燃為薪”,都是我國古人利用碳元素的歷史記載。與此同時,早在3000年前古印度人就發現了鉆石,并且在很長時間內,印度都是世界上鉆石的惟一產地。直到1772年,被譽為“近代化學之父”的法國化學家拉瓦錫才把木炭和鉆石這兩種顏色對立、外觀迥異的物質統一了起來。他做了一個“敗家的”實驗,在對密閉玻璃罐中燃燒鉆石和木炭進行對比后,他發現二者的結果是一樣的。拉瓦錫因此斷定木炭和鉆石有相同的“基礎”,并將之命名為碳,收錄在15年后與其他五位化學家共同編著的《化學命名法》中。

        在拉瓦錫確定碳元素的七年后,1779年,瑞典化學家舍勒將石墨與硝酸鉀共熔后產生二氧化碳氣體,才確定歐洲人一直誤以為是“含鉛物質”的石墨,其實主要是一種礦物木炭。

        碳是構成有機生命體的必備基礎元素,沒有碳,就沒有地球生命;同時,各種碳基材料在人類的生存與發展中也發揮了巨大作用。因此,自1901年諾貝爾獎首次頒發以來,碳元素就是諾獎的“寵兒”,被稱為“獲獎次數最多的元素”。

        碳單質具有豐富多彩的同素異形體,無定形碳、石墨、金剛石等早已為人們所熟知;近幾十年,從零維的富勒烯C60到一維的碳納米管再到二維的石墨烯和石墨炔,新型的碳同素異形體不斷被化學家們發現,由于其獨特的物理化學性質,被人們寄予了厚望。1986年,柯爾、克羅托和斯莫利因發現富勒烯而獲得諾貝爾化學獎;2010年,蓋姆、諾沃肖諾夫因發現石墨烯而被授予諾貝爾物理獎;碳納米管的發現者日本科學家飯島澄男也分別在2002年和2008年獲得美國富蘭克林學會最高榮譽獎“富蘭克林物理獎章”及被譽為“納米科技界諾貝爾獎”的Kavli納米科學獎。需要特別指出的是,石墨炔是在2010年首次由我國科學家、中國科學院化學研究所李玉良院士團隊合成的。目前,對富勒烯的研究方向主要集中在化學、材料科學、物理和科學技術等方面,碳納米管與石墨烯的研究范圍則已經拓展到工程領域。隨著一系列發現的涌現,新材料是第四次工業革命的基礎已成為共識,人們不禁開始暢想:人類在經歷19世紀“鋼鐵世紀”和20世紀“硅材料世紀”之后,將迎來屬于“碳材料世紀”的21世紀。

        1991年,飯島澄男報道了在透射電鏡下觀察到的管狀碳納米結構,引發了20世紀90年代碳納米管研究熱潮,但由于接下來的很長一段時間,各國科學家們殫思極慮,卻始終沒有找到實現碳納米管的結構可控生長的辦法,碳納米管研究陷入了困境。隨著2004年石墨烯的發現,一大批碳納米管的研究者開始轉向石墨烯方向。碳納米管研究熱逐漸退潮。

        轉機在碳納米管被發現的23年后到來。2014年6月26日,《自然》雜志發表了北京大學化學與分子工程學院李彥教授“納米材料與納米結構課題組”在單壁碳納米管手性可控生長研究上取得重要突破的成果——《單一結構碳納米管合成》,在國際碳納米領域引發一場“地震”,有評論稱:這一成果或將推動已停滯近20年的納米管研究重新向前,或將使得國際材料學領域多年來“以碳基替代硅基”的夢想成為現實,是國際材料化學領域的重大突破。

        十年磨一劍,今日把示君。對于李彥,這一劍的磨礪遠不止十年。寶劍出鞘之后,面對驟然撲面的贊譽、央視《新聞聯播》的報道、紛至沓來的媒體,她選擇的是盡量遠離聚光燈,“該干嘛還干嘛”,繼續兢兢業業地開展著她心愛的碳納米管研究和教書育人的工作。而面對云霓之望數十載的碳基材料應用前景,李彥也非??隙ǖ貙Α董h球財經》記者表示:“十年之內見分曉?!?/p>

        也就是說,對于被認為有望“徹底改變21世紀”的碳基材料,接下來的十年,至關重要。同時,隨著全球科技競爭日趨白熱化,某項關鍵技術突破所帶來的影響,也很可能超越研究領域本身,成為各國博弈的“主戰場”。正如前不久出席臺積電在美國亞利桑那州晶圓廠的“首部機器移機”典禮的張忠謀,早在三年前就感慨臺積電已身不由己地成為“全球地緣策略家的必爭之地”。

        2001年5月,當李彥結束在美國杜克大學的交流訪問,面對可以留在美國的工作機會和更好的研究環境,她毫不猶豫地選擇了回國,這不僅僅是她想讓她手里的課題屬于完完全全的中國本土研究,還因為她認為北京大學是中國做基礎研究以及基礎教學最好的地方。那是她非常推崇的美國學家羅蘭在其于1883年著名演講《為純科學呼吁》中所提到的:“教授的職責是促進科學的進步,他應該向學生和世界展示一個完全、真實的獻身科學的榜樣,告訴他們生命中還有更崇高的價值?!?/p>

        碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授

        夙興夜寐,柳暗花明

        《環球財經》:在經典的晶形碳同素異形體中,富勒烯具有開創性,而石墨烯炙手可熱,惟有碳納米管因為可控難題而成為理想豐滿、現實骨感的“冷學”。能否請您先簡單介紹一下關于碳納米管研究的歷程以及您的研究工作?

        李彥:我的課題組主要從事碳納米管的制備、修飾、表征和應用的研究。發展碳納米管的可控合成、分離、組裝等方法及相應的表征技術,并探索基于碳納米管的材料在納電子、能源等領域的應用。

        碳納米管的發現是建立在富勒烯的發現之上的。20世紀70年代,英國化學家克羅托通過射電天文學觀測發現星際空間中存在大量的長鏈碳分子,他對這個結構非常感興趣。1985年,他和美國激光化學家柯爾和斯莫利合作,通過激光照射來檢驗他關于碳分子形成的理論,發現了原子量為720的質譜峰值信號,這是一種全新的碳分子,大多含有60個碳原子。受建筑師富勒的作品——蒙特利爾世界博覽會美國館的網格狀穹頂結構啟發,他們將這類碳分子命名為富勒烯。后來通過各種實驗數據,證實了他們關于富勒烯C60的結構及特性的猜想。富勒烯是由五邊形和六邊形組成的籠狀結構的全碳分子,類似足球,分子結構非常漂亮,穩定且高度對稱,在納米尺度范圍內,擁有極高的穩定性以及奇異的電子特性。富勒烯的發現,掀起了一陣對晶形碳同素異形體的研究熱潮。

        1991年,時任日本電氣股份有限公司(NEC)首席研究員的飯島澄男在用高分辨透射電子顯微鏡觀測用電弧法制備C60的碳灰中,發現了一種管狀結構的碳材料,石墨片卷成同軸的多層“圓筒”,這就是多壁碳納米管。1993年,飯島澄男博士又報道了單壁碳納米管的發現。

        在碳納米管發現之時,關于富勒烯的研究已開始進入瓶頸。碳納米管的發現又一次激發了人們繼續探索的熱情。1996年諾貝爾化學獎頒給發現富勒烯的三位化學家后,學界對碳納米管的研究進入一個高潮。相比硅基材料,碳納米管具有更為優異的半導體特性,特別是在高遷移率、納米尺寸、柔性等方面,這也意味著碳基集成電路將具有更高的速率和能效。1998年,IBM研究人員制作出首個可工作的碳納米管晶體管。2008年美國國家科學基金委員會(NSF)啟動了“超過摩爾定律的科學與工程項目”,其中碳基電子學研究被列為重中之重。2009年,國際半導體路線圖委員會推薦基于碳納米管和石墨烯的碳基電子學技術作為未來10~15年可能顯現商業價值的新一代電子技術。

        《環球財經》:確實,從飯島澄男先生發現納米碳管到現在30多年了,作為納米碳材料家族的重要一員,碳納米管以其優異的力學、電學和熱學特性被譽為“萬能基材”,被認為在結構功能一體化復合材料、電池電極、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領域具有巨大的應用前景,一直被認為是未來最有希望取代硅基材料的理想碳基半導體材料。但目前離當初暢想的應用前景似乎還有不小的距離,其中的難點是什么?具體到您的研究,在幾乎所有人都放棄了碳納米管研究的時候,您用15年時間的堅持,實現了突破,其中經歷了什么?

        李彥:最大的難題就是沒有純凈的材料。碳納米管材料很有意思,它在某種意義上有點像高分子材料,實際上是個混合物,各種尺寸,各種大小,各種結構。在復合材料、能源等領域的應用中這通常不是太大問題,但要用于芯片,那就不行了,因為不同結構的碳納米管的帶隙是不一樣的,更關鍵的,還有三分之一是金屬性的。作為芯片用的材料,要求必須是純凈且結構一致的半導體性碳納米管才行。獲得這樣的碳納米管是很困難的,這個難題遲遲解決不了,嚴重影響了碳納米管研究的發展。

        此時,一種新的碳材料——石墨烯出現了,迅速吸引了大家的關注,世界范圍內很多研究人員轉向石墨烯領域,碳納米管研究陷入低谷,美國也遲滯了在這個方向上的研究。大約在2006年,有一次在科技部項目的總結會上,有專家問我,如何精準控制碳納米管結構?我說我想不出辦法。因為在化學沉積合成過程中,碳納米管是在催化劑上成核生長的,所以,很自然就會想到通過催化劑作用影響碳納米管的生長。但金屬催化劑在化學氣相沉積的高溫下會熔融,顯然這樣的催化劑無法控制碳納米管的結構,于是做實驗和理論研究的科學家都認識到應該改用在高溫下結構不變的固態催化劑,但是,各國的科學家做了很多努力,結果都不能令人滿意。那有沒有可能拋棄高溫合成,換成有機合成呢?有機合成也非常困難,碳納米管在有機溶劑中不溶解就是個大問題,所以,通常只能合成出碳納米管的一個小片段。所以你看,當時我的狀態也已經很悲觀了。

        那時候,在碳納米管領域具有引領性影響力的美籍華人科學家戴宏杰教授轉向碳納米管在生物醫學中應用的研究,并取得了一系列引人注目的成果。我接受了他的建議,也想嘗試轉向納米生物醫學領域,還特意招了一位本科學習生物學的研究生進組。然而,經過一段與生物學家的接觸和碰撞,沒有發現好的切入點,同時也認識到了一些碳納米管在生物醫學應用上的短板。這一次短暫的嘗試不成功,反而使我堅定了要把研究重心回歸到解決碳納米管結構可控合成這個根本問題上來的信念。

        這里,要特別感謝兩位我國在納米材料研究領域的領軍人物——解思深院士和范守善院士,他們在全世界碳納米管研究低谷期,始終堅定支持碳納米管研究方向,保證了研究經費的穩定。我也要特別感謝北京大學化學與分子工程學院提供的寬松、包容、鼓勵探索和創新的學術環境和氛圍,使得我能夠專心于具有很大挑戰的不熱門的研究課題。

        同時,還要特別感謝以楊烽為代表的課題組的學生們。他們選擇這個處于發展波谷期的研究方向,首先面臨的就是發論文相對更難的問題,可是他們始終以一種直面科學難題的純凈的心態投身到這項研究中。為了更為完整地實現我們的研究思想,在已經發表了具有重要國際影響的論文以后,楊烽仍然主動選擇了推遲博士畢業,很讓我感動。我的組里一直有很多研究生,他們的信任,讓我更強烈感受到了自己的責任,也給了我攻克難題的勇氣。

        突破難題的關鍵還是要回歸到催化劑設計上。我們知道酶催化反應具有很高的選擇性,源于酶和底物專一的分子識別作用。這給了我很大的啟發,讓我意識到用普通固態催化劑顯然是不夠的,我們需要的是結構非常獨特的固體催化劑,這樣催化劑與碳納米管也存在一一對應的結構匹配上的選擇,就有可能以催化劑為結構模板,合成出具有單一手性結構的碳納米管。初步的想法在2007年開始形成,我選擇了鈷鎢催化劑體系,并選擇多酸團簇作為合成催化劑的前驅體,后來的研究證明,這兩個選擇都是非常正確的。但起初三年的探索并不是很順利,一直看不到成功的希望,這也讓我很著急。

        轉機始于2011年年初楊烽同學加入課題組,他做實驗特別細心,又善于鉆研,很快就取得了進展。到2012年,第一階段的研究工作就基本完成了。我們利用剛剛提到的鎢鈷在其中均勻混合的分子團簇作為前驅體,制備出高熔點、結構獨特的鎢基金屬間化合物催化劑,以其作為結構模板,生長出結構一致的單壁碳納米管,為困擾學界多年的“制備結構(手性)完全一致的碳納米管材料”的難題提供了一種可能的解決方案。

        我們的研究得到了許多合作者的支持,在第一階段的研究中,全部合作者都來自國內,這是我有意識的選擇。當時仔細思考過,與國外的學術“大腕”合作可能給文章的發表帶來更多的方便之處,但考慮到我們研究的問題在領域內的重要性,我還是希望這項工作從頭到尾完完全全由中國科學家獨立完成,讓成果的知識產權完整地歸屬于咱們的國家。即使因此而導致文章沒能發表在更有影響力的期刊上,我也認了,因為覺得工作的重要性和水平是第一位的,發在哪個期刊不會影響它的最終價值。

        2013年,在單壁碳納米管發現20周年之際,我們投稿給《自然》雜志,過程當然也非常曲折,其中有許多很艱難的時候。單壁碳納米管的結構可控合成無疑是領域內最重要的基礎性問題,我們工作的意義是毋庸置疑的,因為它的重要性和挑戰性,審稿人格外審慎,格外挑剔。每個結論都提供了多重證據,每個實驗數據都力求準確,每個實驗細節都做到極致,還被審稿人挑各種毛病,這對年輕的學生們來說是很大的打擊,讓他們有無法堅持下去的崩潰感。我就安慰他們說,你看我們挺幸運的,最初投稿的時候,我就說過我們其實很需要1100oC的原位電鏡表征結果,但當時國內沒有條件做。結果文章投出去后就有美國廠商到北大來展示這個儀器,我們就趁機免費做了,審稿意見回來,果然有審稿人建議補充這個數據,你們看,我們的運氣是不是很好?學生們一聽,有道理,對,我們回去繼續努力。就這么一輪輪過來了。再困難的時候,我都希望他們能夠堅信,只要繼續努力,就一定能夠成功。記得有一輪審稿后的修改中,我們提供了100多頁的材料,那天,從周五下午我坐在辦公桌前做投稿前的最后修改,忙到周一中午完成投稿,一直呆在辦公室,學生們也輪流陪著我。師生眾志成城,一起努力的感覺真的很好。

        后來文章終于發表了,引起了國際國內的廣泛關注,給相對沉寂的國際碳納米管研究重新注入了活力。在第一階段工作的基礎上,我們繼續開展了單壁碳納米管原位生長的研究,力圖用原子尺度的證據清晰地闡釋單壁碳納米管選擇性生長的機制,夯實我們的研究基礎證據。我們用翔實的數據闡明了選擇性來源于熱力學因素(催化劑的模板作用)與動力學因素(反應條件)協同作用的結果。文章在投稿過程中也發生了很有趣的故事。有一位審稿人說:“近期有理論研究也有實驗研究的文章都證明選擇性生長源于動力學因素,我不同意催化劑模板作用的說法。只要改掉這種說法,我就同意發表?!痹诨貜蛯徃迦藭r我提到:“條條大路通羅馬!靠動力學控制可以實現部分選擇性,不等于我們利用熱力學和動力學協同控制就走不通?!蔽覀冄a充了更多證據來支撐我們的觀點,但在第三輪審稿意見中審稿人更簡潔明確地表示:“我只要求刪掉模板作用的說法就同意發表?!蔽耶斎徊荒芡膺@樣做,因為這是我們的核心論點,刪去了是不忠于我們的實驗結果和學術思想,寧愿不在這個期刊發表我們也要堅持自己的觀點。我又反復地推敲,忽然想明白了,實際上我們提出的熱力學和動力學協同作用才是更普適的機理,他們的那些實驗結果是因為用了不具備模板作用的普通催化劑,才只表現出動力學因素的影響,換句話說,他們的情況是我們提出的普適機理的一些特例。我這樣回復以后,文章很快也就被接收了。

        《環球財經》:您可是真“剛”??!關鍵問題絕不妥協,也不愿意投機取巧。

        李彥:是的,我這個人個性就是這樣,學術上的事無比較真。

        碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授
        1994年,李彥在紅外光譜儀上工作

        斗轉參橫,履機乘變

        《環球財經》:聽著都是一個驚心動魄的過程。即便是柳暗花明,在您的突破性研究后,碳納米管研究“起死回生”,雖然目前碳基半導體材料在材料制備技術和性能方面都取得較大的進展,但其產業化應用方向卻十分模糊。對碳基材料取代硅基材料的前景,您有何判斷?尤其是,這兩年,美國又開始重拾對碳納米管的研究,并在眾多科技領域尤其是芯片領域上對我們“卡脖子”,對此您怎么看?我們在碳基材料研究領域與美國存在差距嗎?

        李彥:到目前為止,材料問題仍是制約碳納米管應用的主要瓶頸,沒有完全解決。在實驗室是可以部分實現了高純度碳納米管的可控制備,但從實驗室到規模生產,還有不少技術難題要解決。在解決了材料的問題之后還有芯片應用中的一系列問題。

        碳納米管剛出現的時候,它最引人矚目、最被人們看好的應用就是在電子學領域。信息技術與人們的生活密切相關,一個手機芯片上就集成了百億的晶體管。計算機越來越強大的原因是晶體管越來越小型化、集成度越來越高。但是總有一天,基于硅基CMOS集成電路的微電子技術將趨近于發展的極限,勢必需要開發新的材料和技術,而碳納米管就是最有潛在發展前景的新型半導體材料之一。

        從2000年至今,北京大學電子學院彭練矛院士一直堅守在國產碳基芯片研究一線,并取得了許多重大成果。我和彭練矛院士團隊也一直保持著合作。2020年,彭練矛院士、張志勇教授團隊首次制備出在真實電子學表現上超過硅基產品的碳納米管基器件和電路,也意味著碳基集成電路初步具備工業化的前景。

        目前在碳納米管研究領域,我國研究水平與世界先進水平相比至少是沒有落后,而且在很多方面處于領先?,F在碳納米管領域全世界發表文章的三分之二來自于中國,高被引文章超過三分之二來自于中國。被“卡脖子”的問題,大概率不會出現在碳基芯片上,中國非常有機會占得先機。

        但同時也要看到,信息產業是一個非常龐大的產業體系,分工非常復雜。碳基芯片成功的首要前提,是確保這項技術成熟。但是,即便技術成熟,推廣起來也是一個極其艱巨的工程??纯垂杌夹g的發展歷程可以有所啟示。從1854年法國化學家德維爾制得晶態硅,到20世紀30年代開發出單晶硅的工業化制造工藝,再到50年代才做出第一個硅基器件,70年代有了第一個集成電路,這中間經歷了一個多世紀。碳納米管從被發現到現在才剛剛30年,當然,不可能再給100年的時間去發展碳基技術,成與不成,未來10年內就能見分曉。但碳基芯片大規模使用還需要更長些的時間。當前迫切需要全社會更多的人、財、物的投入,以推動碳基材料和芯片技術的研究。

        從另一個角度來說,全世界在硅基芯片上面花了天文數字的投資,而且迄今為止發展得非常好,碳基芯片想重開一套大規模集成路線,關山難越。這不是幾萬億投資就能解決的事情,而是在全球范圍內的產業鏈生態問題。在半導體領域,未來更現實的目標是“硅結合”而不是“硅替代”。

        碳基技術發展的關鍵是發揮碳基材料的優勢,填補硅基材料做不了的空白。碳基材料起碼在四個方面具有絕對優勢,一是它的柔性,有非常好的機械性能,硅無論怎么做也無法擁有超過碳基材料的柔性,因此在可穿戴設備、柔性屏等的開發應用上,碳基納米材料的優勢無可比擬;第二個優勢是對極端條件的耐受性,硅材料無法適應超高溫、超低溫、高輻射等環境,而碳納米管可以,因此在宇宙航天方面,碳基材料可以成為助力人類“飛天”的天梯;第三個優勢是低功耗,信息技術在不遠的將來就會成為人類社會的第一耗能產業,碳納米管基器件的低功耗將帶來巨大的優勢;第四個優勢是光電互聯,硅材料不是直接帶隙半導體,而碳納米管是直接帶隙半導體,便于進行光電集成。

        為盡快適配碳基芯片用材料的需求,近期我的團隊主要在做這幾件事:一是結構可控的單壁碳納米管宏量合成,就是探索未來可能工業化的合成方法;二是單壁碳納米管的分離提純,因為直接合成出的碳納米管是無法達到芯片技術要求的純度的,我們需要通過進一步的提純,使得半導體性管的純度達到99.9999%;三是單壁碳納米管的排列組裝,就是將提純了的碳納米管排列起來,形成高密度的順排陣列,每5~10納米一根管子,管子之間也盡量不交疊或者形成管束,以確保制備出的器件的高性能。

        碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授
        李彥教授在實驗中

        如切如磋,教研相長

        《環球財經》:科技成果轉化難一直是大家討論得比較多的話題,有觀點認為,長期以來,中國科研和技術創新的主體,以及國家科技計劃承擔的主體都是科研院所和大學,而承載產業化的企業無論是技術研發投入還是自主創新能力非常薄弱,且科技人才嚴重缺乏,這種高校與企業科研能力的巨大差異,是影響中國科技成果轉化率遠低于發達國家的主要原因之一。對此,您的看法是?

        李彥:確實存在這樣的問題,比如在碳納米管這個領域,最早的發現者飯島澄男當時就是在企業工作的。美國大公司在研發方面的投入也非常多,而中國在這方面做得比較突出的只有華為等少數企業。信息產業發展中的幾次關鍵技術節點都在高校產生后迅速進入企業及大規模商用。這方面,我希望國家能夠給予企業在前沿研究上更多的政策支持,比如稅收減免等鼓勵措施?,F在也有好的趨勢,大型企業與高校設立聯合基金、聯合研究院的越來越多。同時,在科研方面,各機構角色最好有所區分,高校就應該做基礎研究,一方面基礎研究具有更多的不可預見性,另一方面基礎研究是一個培養人才很好的載體;科學院則可以更多面對國家需求、在關鍵技術攻關和創新經濟主戰場發揮更多作用。

        《環球財經》:我國提出了“至2035年前沿新材料領域擁有一批具有全球影響力的跨學科研究團隊,形成一批具有國際領先水平的原創性研究成果”的目標,您認為要實現這個目標,我們還有哪些工作需要做?

        李彥:近些年我國的基礎研究迅速進步,學術影響力日益提升,已經晉身為科研大國,正向科研強國的方向邁進。但與美國相比,我們很多方面還屬于跟跑,原創性研究不足。很多事情是別人一開始做我們馬上跟上去,還能比別人做得更好,但是完全屬于自己的源頭創新比較少。一些看上去天馬行空的基礎研究,正是源頭創新的搖籃。我的看法是,國家需要建立一種機制去養一批“閑人”,甘心坐冷板凳,做別人不做、看上去不可能實現的研究。做100件事情只要一件成功,那在“這一件”的領域里,我們就是絕對原創和領先。

        碳基材料的規模應用十年內或見分曉——專訪北京大學化學學院無機化學研究所所長李彥教授
        2022年4月1日,在北京大學學工部舉辦第104期教授茶座上,李彥教授就“選擇與初心”這一話題與同學們展開深入交流

        《環球財經》:那在個人成長方面呢?

        李彥:我的研究經歷其實還有點曲折,進入碳納米管研究領域也是陰差陽錯。我本科到碩士生和博士生階段的研究方向是萃取化學和溶液結構,博士后階段主要做復雜溶液體系的紅外光譜研究,工作之初做II-VI族半導體納米材料的合成,1999年到美國杜克大學訪問時才開始進行碳納米管研究。當時正是碳納米管研究炙手可熱的時候,只不過沒過幾年碳納米管研究就逐漸進入發展的低潮,被動進入了碳納米管研究領域。但是,在低谷期選擇繼續留在這個領域卻是我自己主動的選擇,有機會去攻克領域中的一個關鍵性難題,這也是難得的機遇。

        我還有好幾次的選擇都是當時不太被人理解的,比如2001年回國工作,周圍幾乎所有的人都勸我留在美國,而我當時是義無反顧地回來了。因為對我來說,回國,在北大教書和做研究,就是最幸福的事情。

        我在獨立科研之初,處于沒有經費、也沒有實驗室的一窮二白的狀況,從零開始的階段,特別難。我的第一份青年基金申請了四次才得到,這在北大化院是絕無僅有的。但即便條件這么艱苦,也有學生愿意跟著我做研究,我成立了自己的課題組,并且能生存下來,發展壯大,靠的是課題組同學們對研究的熱愛和堅持。

        《環球財經》:記得《北京大學校報》曾有一個采訪,您的弟子、現為南京大學化學化工學院教授的金鐘老師回憶:“從前在南區,李老師連辦公室都沒有,她就在我們邊上寫寫文章、改改稿子。當時的實驗室非常簡陋,惟一的爐子還得輪著用?!?/p>

        李彥:早年間,我們的科研條件落后,雖然當時的北大已經能夠提供比其他院校更好的設備和資源,但是即使是“要不要把新發現的晶體送去做單晶衍射”這種現在看來稀松平常的操作,都得反復比對和斟酌,得精打細算。那時,我們做電鏡都不敢輕易拍照片,一張底片五塊錢,是好大的一筆錢?,F在的學生們是遇到好時候了,在國家對基礎學科的支持下,我們擁有了一流的研究條件和先進的儀器設備,使我們的科研工作不再輕易受研究條件的制約。

        《環球財經》:我發現和您交流,有一個很突出的特點,就是再艱難的時候,您都是非常樂觀的。這是不是也是在一窮二白的時候,在當初看不見希望的時候,學生們也愿意跟著您做研究的原因?而且,我們知道,您特別受到學生的歡迎,曾獲得“北京大學十佳教師”和“北京市高等學校教學名師”等榮譽。

        李彥:回國后不久,我接了主講化院大一本科生 “普通化學”課的任務,轉眼20多年了。很多人說,你又做科研又做教學怎么忙得過來,可是教學和科研就是我最喜歡的兩件事,教學和科研并不相斥,反而是“教研相長”?!捌胀ɑ瘜W”是化學學院本科生最先接觸的專業核心課程,是幫助學生為后續進階課程學習打下基礎的關鍵,我有機會主講一門如此重要的基礎課程,求之不得,怎么能夠錯過?因為要去教學,自己就要先把基礎知識夯實,從而在研究時容易從最基礎、最本質的概念出發去考慮問題,非常有利于理解問題的本質。而且學生的問題會讓我對基本概念進行更深入的思考,這樣對基本概念理解得就更透徹,也讓我對各類實驗現象和數據的感知更加敏感、思路更加開闊。另外,教學對科研的另一個間接益處是,經常與朝氣蓬勃的學生接觸,也能夠汲取活力與能量。對學生而言,老師將最新的研究成果引入課堂,將其中的科學原理深入淺出地解釋給大家,可以啟發他們對科研的興趣,培養他們的創新能力。

        我人生中最本質的快樂,都是學生給我的。我一直在做自己最喜歡的事情,這種快樂是無與倫比的。

        《環球財經》:您能簡單談一下女性從事科學研究的優勢和劣勢嗎?

        李彥:作為一名女性,我認為在“不功利”地對待研究方面,女性可能比男性更有優勢。因為母親的角色和天性,使女性更具韌性,更能耐受挫折和磨難,放在科研工作上,就是有不怕失敗的精神。我的一位好朋友還提供了另外一個看待女性科研人員優勢的視角,她說,這個社會給男性更多功利上的要求——從小男孩子就被教育要頂天立地,要成家立業,而對女孩子就沒有這么多要求。因為沒有那么大的壓力,所以相對而言女性的功利心就弱一些,非常適合從事基礎科研工作。我想,可能就是這兩個“女性優勢”因素使得我在做研究的時候,更有耐心,不那么著急,也不那么怕失敗,不會特別在意結果,也就更單純一些。在科研的道路上,當你不求回報的時候,回報也許就來了。即便沒有回報,也沒什么可怕的,因為你收獲了快樂。

        李彥教授(簡介):北京大學化學與分子工程學院教授,國家杰出青年基金獲得者,曾獲聘教育部長江學者特聘教授。20多年來堅持在碳納米管研究領域耕耘,作為第一完成人帶領團隊獲得2020年度國家自然科學二等獎和2017年度教育部自然科學獎一等獎;獲全國優秀科技工作者、全國三八紅旗手、中國化學會贏創化學創新獎杰出科學家、北京市高等學校教學名師、北京大學十佳教師和十佳導師等榮譽。長期兼任ACS Nano副主編及Chemical Society Reviews、Materials Horizons、Carbon、Nano Research等期刊的顧問編委或編委,擔任MRS獎勵提名委員會等多個國際學術組織的委員;獲聘東京大學杰出訪問教授。

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