在材料的沃土上勤耕不輟——記清華大學材料學院教授朱宏偉

本刊記者　王　涵

在材料的沃土上勤耕不輟——記清華大學材料學院教授朱宏偉

本刊記者王涵

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年諾貝爾物理學獎頒給了石墨烯的發明者——兩位英國物理學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家選擇的研究材料。

2015年12月1日，教育部科技發展中心公布了2015年度高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）獲獎名單，由清華大學材料學院教授、博士生導師朱宏偉主持完成的項目“石墨烯材料的結構設計與應用技術研究”獲自然科學獎二等獎。

“石墨烯材料不能直接拿來用，所以它的結構設計就很重要，這個是跟應用相關的，需要面向不同的應用進行研究。”朱宏偉說。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，學術問題涵蓋結構設計、光電轉換、柔性器件、吸附過濾等方面。通過調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、納米探測和納米環境應用中的性能。

追蹤材料熱點

作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”。盡管科學家預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，但在朱宏偉看來，“盡管石墨烯材料基礎性能非常好，很多實驗和理論也驗證了這一點，但從應用層面來講還是有瓶頸的，首先就是它的制備。一個新材料不經過幾十年的發展，它的制備技術是很難完善的。”他介紹說，“我們現在做的就是：第一，尋找石墨烯材料的制備新方法；第二，面向不同應用對結構進行再設計。”

此次朱宏偉團隊的獲獎項目“石墨烯材料的結構設計與應用技術研究”，便是圍繞石墨烯結構設計及光電材料、傳感材料和膜材料領域從事基礎研究工作，從材料“結構－性能－應用”的基本關系出發，通過調控石墨烯及其與其他材料的界面相互作用，分別設計了“石墨烯/半導體”“石墨烯/高分子”“氧化石墨烯滲透膜”等結構，并在此基礎上探索石墨烯在納米能源、納米探測和納米環境應用中的使用性能。

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/半導體”異質結模型的光電材料與結構。在此基礎上設計并實現了石墨烯-硅異質結太陽能電池模型，闡明了該異質結的基本原理，開辟了石墨烯太陽能電池研究的新方向，并已發展為基于石墨烯的太陽能電池基礎模型之一。“石墨烯/半導體”異質結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大代表性結構之一，在歐盟石墨烯旗艦計劃60余位科學家撰寫的年度報告中被作為重點結構進行評述。

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

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構引入膜傳質過程，系統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利用、海水淡化、過濾分離、能量轉化及儲存等領域的應用。被膜材料領域專家評價為水處理“膜材料領域的突破”，在海水淡化領域專業期刊Desalination的3篇綜述中大篇幅引用評述。

“我們研究的出發點就是，首先一定要有自己的核心技術；第二是要有自己的結構設計方法；第三是要面向未來的智能應用。石墨烯材料本身柔、輕、薄的特點，就是未來應用的發展趨勢。”朱宏偉介紹，考慮應用不僅要從整個領域關心的問題開始，同時還要瞄準國家重大需求問題，比如能源以及環境問題。

2015年10月28日，由青島國家高新技術產業開發區、中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟等單位聯合主辦的2015中國國際石墨烯創新創業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Dusan Losic教授聯合開發的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域的應用先河，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。

執著科研 合作創新

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

如今，在碳納米管以及石墨烯領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。當導師問他知道什么叫“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，而是靠培養的”。

為了看清碳納米管的形態，他在悶熱狹小的暗室中不分晝夜地沖洗照片；為了得到準確的力學性能數據，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，他驚奇地發現了一些長達20厘米的碳納米管，這是當時世界上發現的最長的碳納米管。一年后，朱宏偉以第一作者身份將這一成果發表在《科學》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表文章。同年，他獲得了清華研究生的最高榮譽——特等獎學金。同時，僅在博士期間，他就發表論文32篇，其中SCI收錄28篇，EI收錄2篇，會議論文2篇，國家發明專利5項，美國專利1項。

“在科學研究中，當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，而成功就源自于在一次次失敗中所積累的經驗和知識，最重要的便是對科研矢志不渝的執著精神。

在交叉學科迅猛發展的21世紀，不同學科、不同團隊之間的合作也越來越重要。尤其是要將一個技術、產品推向應用，產學研用之間的合作就更不可小覷。

近日，由清華大學朱宏偉團隊和北京華大智寶電子系統有限公司聯合承擔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，取得重要進展。

該項目針對熱力系統檢測用流量、溫度傳感器的應用需求，通過對石墨烯傳感的作用與規律研究，突破了石墨烯材料在熱量表流量計應用的關鍵技術，通過石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態對傳感性能調控，基于石墨稀材料的傳感工藝結構設計，研制了大量程、高精度的流量、溫度傳感器，解決了現有傳感器表面結垢、功耗高、精度低等問題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統進行規模應用。

“我們這個項目就是一個非常好的合作方式，不僅有基礎研究、應用研究，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“清華大學研究生學術新秀”……打開朱宏偉牽頭的納米實驗室主頁，大量關于學生獲獎、論文發表的信息撲面而來，這是一支年輕且富有創造力的團隊。

“我對我們實驗室的發展還是很有信心的”，采訪中朱宏偉曾多次提到。面對現在鼓勵高校教師創業的時代趨勢，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，都應該以教育為本，這才是第一位。不過這也跟性格有關，有些老師喜歡挑戰，喜歡創業，就沒那么多時間跟學生在一起，但我還是喜歡在學校當一個老師，平時教教課、寫寫文章，和學生待在一塊。”朱宏偉說道。

對于學生的培養，朱宏偉采取的也是“放羊式”管理，不會天天監督、讓學生匯報工作或者規定指標等。“從科研到管理，我們一般都是自由的，包括選題都是以他們為主。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。”朱宏偉說道，“管理上雖然很自由，但學生們也都非常自覺。”

“當然，這種‘放羊式’管理也是有前提的，事先的任務必須分配好。而且材料學院本身對學生的要求就比較高，我對他們的要求會更高，底線不能丟。”朱宏偉強調，對于學生的要求首先老師就得做到以身作則，不管是生活規律還是科研習慣都是如此。他每周都會和課題組學生交流實驗的進展，指導學生用科學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，他根據自己多年實驗積累的經驗，親自起草了實驗室各種設備的操作規范，對每一種設備都給出了詳細的操作步驟。這一整套操作規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。這套操作規范還得到了其他實驗室的認可，同學們紛紛前來學習交流。

“2008年起我們實驗室就在做石墨烯研究，去年開始轉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用，對于朱宏偉而言，這亦是他最大的目標。“要想把一個技術真正推廣確實很難，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，關鍵就是怎么將它轉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，如何將成果推向應用就是我們現在必須解決的問題。”朱宏偉說道。盡管轉化之路異常艱辛，但對這支朝氣蓬勃的團隊，朱宏偉依然充滿了信心。