趙旸：在納米世界里潛心篤行

1959年，物理學家理查德·費曼在美國物理學會會議上做了題為“在底部還有很大空間”的演講，雖然沒有使用納米這個詞，但他實際上介紹了納米技術的基本概念。1974年，日本教授谷口紀男在一篇題為“論納米技術的基本概念”的科技論文中，給出了新的名詞“納米”。時光飛逝幾十年，現如今的納米技術已經從當初的偉大設想變為了現實，并有了迅速的發展，被廣泛應用在醫學、航天、航空、環境、生物技術等領域中。

作為中國科學技術大學精密儀器與精密制造系教授，趙旸的科研人生，與納米領域有著千絲萬縷的聯系。一直以來，她始終將從事納米領域的研究工作當做自己奮力拼搏的方向、潛心篤行的心靈坐標。無論是在國外從事科學研究還是歸國繼續科研工作，她始終在納米領域的基礎研究工作中默默前行著，十幾年來始終如一。

在納米領域發現未知的自己

在趙旸的科研世界里，“篤行”“開拓”始終貫穿其中。本科和碩士階段，趙旸均就讀于中國科學技術大學固體力學專業，并順利獲得了碩士學位。

人生就是不斷地嘗試，不斷發現新的自己，趙旸并不害怕嘗試，碩士畢業之后，她并沒有固定自己的專業學習方向，順利被美國加州大學伯克利分校機械工程系錄取的她正式開始接觸納米領域的研究工作，可謂“水到渠成”。趙旸在美國加州大學伯克利分校機械工程系攻讀博士期間，研究課題為“基于微懸臂梁陣列的紅外成像系統”，在這一研究中，他們在國際上率先利用金屬—氮化硅雙材料微懸臂梁陣列結合非接觸式光學讀出系統實現紅外成像，具有很大的創新意義。

2002年，博士畢業之際，納米領域的發展前景一片大好，很多人都轉向了這一領域的研究工作，跟隨著這一潮流，趙旸決定繼續在美國加州大學伯克利分校機械工程系從事納米領域的博士后研究工作。如今看來，趙旸的選擇似乎都帶有偶然的色彩，但正是這份偶然，引領著她發現了未知的自己，并在這一領域不斷地突破著、前行著……

在美國進行科研工作時，趙旸的主要的研究方向是：高性能界面導熱材料的設計和研制、以熱電能源轉換為背景的納米復合材料的設計和研制以及基于納米線技術的紅外微傳感器。

當時，她所在的團隊縱觀納米領域的發展趨勢，緊跟科技發展前沿進行研究，從2002年開始，就已投入到了高性能界面導熱材料的設計和研制研究中，是領域內最早從事這一方面的研究工作的團隊之一。2004年，趙旸開始在美國Atlas Scientific公司任首席研究員，負責基于碳納米管陣列的熱界面材料的研制。2007年，她加入了美國加州大學伯克利分校機械工程系納米能源實驗室任助理研究員并兼實驗室主任，在科研方面繼續開拓。

在美國從事科研工作多年來，趙旸通過自己的不懈努力與探索，取得了多項創新性的科研成果。

在以熱電能源轉換為背景的納米復合材料的設計和研制中，熱電材料是一種能將熱能和電能直接轉換的固態功能材料，對材料的熱導率要求很低，而如何有效干預熱量在材料中的傳輸對于提高熱電材料的效率具有決定性的作用。針對這一問題，趙旸研究團隊通過引入不同尺度的散射因子，例如調節納米顆粒的大小，引入合金材料等方法，對材料熱導率進行控制與調節，以達到提高熱電效率的目的。在美國進行科研工作時，他們還曾嘗試用硅的納米線，來降低材料的熱導率，并取得了很好的效果。

不忘初心 回國繼續科研探索

祖國的發展牽動著每一個在外求學的游子的心。2012年，趙旸入選國家第八批“青年千人”計劃項目，結束了在外十幾年的科研工作，來到中國科學院物質研究院先進制造技術研究所任研究員，并在2013年5月轉調入中國科學技術大學精密儀器與精密制造系任教授。

回到祖國之后，趙旸并沒有停止在科研方面的探索，基于之前在美國時的研究方向以及所做出的研究成果，她希望能在科研方面有更大的突破。

在高性能熱界面材料的設計和研制中，趙旸于2015年申請了國家自然科學基金項目“基于納米線陣列的熱界面材料熱力耦合狀態下的實驗研究”，在這一課題中展開了新的探索。

隨著半導體工業與技術的發展，微處理器芯片中電子器件的密度越來越高，導致電子芯片的功率密度也大幅提高，電子芯片及器件的熱管理變得越加重要，并逐漸成為制約電子工業發展的因素之一。電子芯片或器件熱管理技術的發展是進一步提高芯片速度及壽命的必要條件，而熱管理系統中一個重要的組成部分就是熱界面材料。

高性能熱界面材料所需要具備的兩個重要品質是：良好的柔度，以充分填充表面粗糙度造成的空隙，并承載器件運行時產生的熱應力；良好的導熱性，以有效降低界面熱阻。為了研制下一代的高性能熱界面材料，縱向排列的碳納米管（CNT）陣列引起了人們的高度重視。區別于傳統材料，CNT陣列的一個顯著特點是其在傳熱及力學性能上同時具有各向異性的特性，但是在研究技術方面卻遭遇了一系列困境。

考慮到現有的技術及碳納米管在應用方面的種種困難，趙旸課題組提出了利用銅納米線技術研制新型熱界面材料以滿足未來電子器件散熱的要求。并在項目中，以實驗為主要手段，將材料合成、光學檢測、系統建模、數據分析各步驟有機地結合起來，探討低維銅納米線陣列的傳熱及力學特性，尤其是這種納米線結構在熱力耦合狀態下的對界面熱傳導的增強效應。通過對納米線陣列構成的熱界面結構的系統測量，確定并優化納米線陣列的制備及封裝工藝。利用銅納米線陣列的高導熱系數，高陣列密度，并在橫向承載熱變形的能力，在保證系統穩定性的同時，使散熱系統中的界面熱阻降低一個數量級。不僅推動了新型熱界面材料的研制與發展，還為半導體工業的發展提供了其急需的技術支持。

立志紅外成像技術的新突破

孜孜不倦，不斷前行。能在紅外成像設備方面進行更加深入的研究工作，一直是趙旸的心愿。2017年，她申請的國家自然科學基金面上項目“基于碳納米管的新型雙材料微梁紅外熱變形的機理研究”正式立項。

紅外成像技術在軍用與民用上都有著廣泛和重要的應用，而其核心部件紅外焦平面陣列FPA（focus-plane array），通過配額限量進口的FPA，通常像素較低，并且在應用上也受到制約，只能被用于民用領域。因此發展高溫度靈敏性和空間分辨率的FPA迫在眉睫，這將有助于我國先進武器的研發，同時推動其在科研生產等諸多民用急需領域的應用。

近10年來，MEMS制作技術發展迅速，一種不同于電學參量讀出FPA的方法被提出。這種方法基于雙層材料微懸臂梁陣列受熱變形，利用光學方法檢測出微懸臂梁陣列的熱變形分布，從而獲得物體的紅外成像，成本也相對較低。

從之前的研究成果來看，有序排列的碳納米管薄膜和金屬兩種材料作為FPA中雙材料微懸臂梁結構可以在溫度靈敏度及熱響應時間兩個方面都具有顯著的優勢。在這一項目中，趙旸團隊以實驗為主要手段，將材料制備、系統建模、產品優化等步驟有機結合，尤其對于有序排列碳納米管薄膜與金屬雙材料微懸臂梁結構的熱—力—光耦合的微機械系統進行設計與優化。相比于現有的研究成果，這一項目研制的FPA將有效地提升紅外響應的靈敏性和溫度精度，開發出性能更優異的FPA，并為其產業化做好技術儲備。

科研是逐漸積累進步的過程，趙旸表示，自己在中國科學技術大學精密儀器與精密制造系剛剛起步，一切還在積累階段，需要做的東西還有很多。而面對自己的科研成果，她總是謙虛地表示自己需要更加努力。

十幾年來，趙旸一直在科研領域默默付出著，歲月更迭，萬事萬物都在變化，但她對于科研工作的那份“深情”從未改變。今后，她還將不忘初心，在納米領域研究中一往無前，做出更多優秀的科研成果！