撐起材料領域“半邊天”——記華東師范大學物理系副教授袁清紅

本刊記者 張春壯 孫秋霞

36歲的袁清紅，現在是華東師范大學物理系副教授。在機房，一襲白大褂，棕色短發，淡淡的妝容，女性的溫柔美麗與智慧知性集于一身。

在男性主導的科學世界里，袁清紅一步一個腳印，憑借女性特有的細膩與敏銳，在石墨烯和碳納米材料等領域開拓出一片靚麗的天地。不久前，作為三名獲獎人之一，她在2014年獲得國際石墨烯大會優秀墻報獎。

在采訪中，袁清紅告訴記者，平時自己也喜歡逛街，追求一些時尚的東西。女性的審美下，深藏更多的是她對科研的認真和執著，“我在科研方面的天分不是很好，但我最大的特點就是認真”。

行走在碳材料的前沿

從大學到博士，11年的求學歷程終于讓袁清紅實現了成為一名大學老師的夙愿。在人生的千回百轉中，推著我們不斷前進的也許就是童年那不經意的夢想。袁清紅并未滿足于此刻的成績，在無數的疑問中，她不斷追尋著答案。

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統稱。早前，石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直到2004年，英國曼切斯特大學物理學家安德烈·撒姆和康斯坦丁·瑪卡李奇成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因“二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。從此，國內外迎來了石墨烯研究的浪潮。

受到香港理工大學丁峰教授的影響，袁清紅從2009年年底便開始了對石墨烯的研究，當時國際上關于石墨烯生長機制的理論研究才剛剛起步。袁清紅告訴記者，他們在石墨烯上做了非常系統的工作，“從金屬表面的單個碳原子到大片石墨烯的生長，我們揭示了石墨烯在早期成核過程中一維碳鏈的穩定性和二維碳團簇中拓撲缺陷的存在，并提出了石墨烯在連續生長過程中可能的的模式，解釋了石墨烯的取向和金屬沉底對稱性的關系”。此外，他們在研究中還發現隨著金屬催化劑表面硬度的不同，石墨烯生長呈現臺階生長、懸浮生長以及嵌入生長等不同模式。這些不同生長模式將導致石墨烯生長取向的不同，其中采取臺階和嵌入生長模式的石墨烯具有生長取向的一致性。因此，袁清紅團隊推測在傾向于臺階和嵌入生長模式的金屬催化劑表面有可能長出大片的單晶石墨烯。這一理論預測結果最近被韓國著名的石墨烯實驗研究小組所證實。

袁清紅解釋道，“實現石墨烯生長取向的一致性是合成大片單晶石墨烯的重要條件，我們的研究結果表明石墨烯在某些金屬表面取向一致而在某些金屬表面取向多樣”。該研究結果不僅成功解釋了目前大部分的實驗結果，并且為將來實驗上選擇合適的金屬催化劑來合成高質量的大片石墨烯提供了理論依據。

揭示碳納米管的CVD生長機制

近日，SCI影響因子達11.336的國際著名化學期刊《Angewandte Chemie International Edition》（《德國應用化學》）第54期發表了袁清紅的論文“How a Zigzag Carbon Nanotube Grow s”，并將該文選為封底文章。論文首次從理論上揭示了被稱之為Zigzag碳納米管的生長機制，解釋了實驗上一直難以獲得Zigzag碳納米管的根本原因，提出通過催化劑選擇和改善實驗條件獲得Zigzag碳納米管的實驗手段。

袁清紅向記者介紹，碳納米管生長機制的理論研究比較復雜。因為碳納米管的類型較多，每一類碳納米管的生長機制都不一樣，“做理論模擬的話，我們需要一個理論模型，但我們早期對碳納米管的生長模型不是很清楚，存在許多爭議，再加上早期的CPU計算也很慢，如果要做碳納米CVD生長機制的第一性原理計算需要耗費很長的時間”。

最早開始研究碳納米管生長機制的是袁清紅的博士后導師——香港理工大學丁峰教授，他從2003年開始一直做這方面的研究，并于2009年在美國雜志上發表了一篇關于碳納米管的生長速度與螺旋角度關系的文章，提出碳納米管的螺旋角度越大，其生長速度越快。這一理論模型能解釋大部分的實驗結果，但同時也有一定的局限性。

后來，袁清紅和丁峰教授合作，對不同類型的碳納米管的生長機制進行了深入研究。提出碳納米管生長的臺階模型，并發現碳納米管生長的決速步是碳原子從金屬催化劑表面加入到碳納米管并成為碳管一部分的過程。“我們的研究發現，鐵是大部分碳納米管高速生長的優良催化劑，在1300K的溫度下，這些碳納米管在鐵催化劑表面的生長速度可達到106 nm/s，這與目前絕大部分的實驗結果一致?！痹撗芯砍晒l表在物理類頂尖雜志Phys. Rev. Lett.上。

相比之下，一種被稱之為zigzag型的碳納米管在實驗上則極少能被觀測到。于是，袁清紅與丁峰教授在先前研究的基礎上，進一步探討Zigzag碳納米管的生長機制及速度。發現Zigzag碳納米管的結構與其它手性碳納米管的根本不同之處在于，其生長的開口端是由完全封閉的圓形碳鏈組成的，這導致Zigzag碳納米管的生長必須經歷一維成核過程。由于成核非常困難，所以導致Zigzag碳納米管的生長速度很慢?！拔覀兪状螐脑拥某叨壬辖忉屃薢igzag碳納米管的一維成核過程，證實了Zigzag碳納米管的生長是有可能的。并且，可通過選擇活性高的金屬催化劑（如鐵）以及較高的實驗溫度來獲得更高產量的Zigzag碳納米管，而且Zigzag碳納米管的生長速率正比于其直徑?！?/p>

盡管這些理論預言還有待實驗科學家的進一步驗證，但據袁清紅介紹，該項研究成果的現實意義還是非常顯著，可以用來調控碳納米管生長的一些實驗參數，實現碳納米管的手性可控合成，從而使其在電子器件領域得到真正的應用。

袁清紅介紹說，碳納米管的電子性質與其手性有很大關系，生長過程中保持特定的手性對實現碳納米管在電子器件領域的應用具有非常重要的意義。然而，碳納米管在生長過程中的各種拓撲缺陷會導致其手性發生改變，因此有效地消除這些拓撲缺陷是確保碳管在生長過程中保持其特定手性的關鍵問題。基于理論分析和計算，袁清紅和丁峰教授提出，在碳納米管生長過程中最有可能的拓撲缺陷是五元環和七元環成對的缺陷（五/七缺陷對），一定溫度下，碳納米管中的五/七缺陷對濃度可低至10-11，即c m長度的碳管內沒有任何缺陷。該研究結果被實驗科學家證實并發表在物理類頂尖雜志Phys.Rev. Lett.上。目前已被Science, PNAS等多個著名雜志引用，引起了包括美國自然科學基金網等眾多國外媒體網站的關注和報道。

袁清紅告訴記者，理論研究有其局限性，要想獲得最新最前沿的實驗進展，必須與實驗科學家保持密切合作?！俺嗣芮嘘P注最新的實驗進展，我們還與國內外一流的實驗小組保持了密切的合作關系。一方面利用他們的最新實驗結果來指引我們的理論研究方向，另一方面，我們的理論研究結果能幫助實驗科學家理解實驗結果并作一些有目標性的嘗試實驗。”袁清紅團隊通過與實驗合作，取得了很多豐碩的成果，相關的研究工作發表在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、 ACS NANO、Nat. Commun.等著名雜志上。

袁清紅研究團隊

“時間都去哪了”

“門前老樹長新芽，院里枯木又開花……”2014年春晚的一曲《時間都去哪兒了》引起了許多人的共鳴。教學、科研、照看小孩、家務事……袁清紅總覺得時間不夠用：時間都去哪了？

現代社會，科研領域已不乏女性身影。她們在投身科學研究的同時，也努力做著工作、家庭和生活之間的平衡，袁清紅也不例外。她不僅要在工作中花費大量時間，還需要照看小孩，料理家務。“工作有的時候會占據很多時間，每一天的進展都非常多，哪一天不看文獻，就會錯過很多?！?/p>

每逢周末，袁清紅也不會落下工作，為了節省時間，她常常用網購代替逛街。如今，袁清紅的女兒已經5歲，這正是孩子啟蒙的好時期，她給孩子報了一個畫畫班和音樂班?！半m然花了一些心思在孩子身上，但覺得遠遠不夠?！?/p>

令袁清紅倍感欣慰的是，她在科研上的付出有了回報?！案冻霾灰欢ㄓ惺斋@，但不付出肯定沒有收獲，我覺得自己還是比較幸運的?！泵慨斦劦阶约涸诳蒲猩系某晒?，袁清紅總是會提到自己的博士后導師，對導師心懷感激，“他給了我很大的幫助，他的科研直覺非常好，對問題的思考有著獨到的見解，在他身上我學到了很多東西”。

采訪中，袁清紅始終用淺顯的語言給記者解釋這些難懂的專業問題。每每講完一個問題，她總是習慣性地總結一遍，冷靜的言語后折射出她清晰的思維邏輯。正如她所做的工作，從來不是一蹴而就，而是在常年的日積月累的付出。這些付出與收獲，成就了女科學家的美麗與價值。