化學家的科研日常

張如范

北宋文學家王安石在《游褒禪山記》中曾用“夫夷以近，則游者眾；險以遠，則至者少。而世之奇偉、瑰怪，非常之觀，常在于險遠，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也”來感嘆只有胸懷大志的人，才有可能實現理想。做科研也是如此！今天就讓我們走進化學家的科研日常，去看看他們是如何戰勝困難，取得成就的吧！

做科研猶如啃硬骨頭

做科研猶如啃硬骨頭，只有在某個領域長期堅守和持續努力，才能取得優異的成果。

在碳納米管領域存在幾個重大的難題，其中一個就是如何實現宏觀長度、結構缺陷少、性能優異的超長碳納米管（一維量子材料）的可控生長與批量制備，這也是實現碳納米管高端應用的前提。

然而，多年來由于超長碳納米管生長機制不明、催化劑易失活等原因，超長碳納米管產率不僅十分有限，還嚴重影響了它的實際應用。

2018年，我針對這一難題帶領團隊進行攻關。開始時，超長碳納米管的生長狀況非常不穩定，得到的基本都是雜亂生長的短碳納米管，超長碳納米管的產率仍然很低。直到2021年的某一個深夜，我突然靈光一現——是否可以將飄浮的短碳納米管攔截起來，使其能夠平行排列后生長，從而實現超高產率的超長碳納米管制備？

我很快把想法投入了實踐，結果也正如我預想的一般。基底攔截導向策略，可以巧妙且有效地將原本無序生長、長度短小（微米級）的碳納米管，轉變成平行排列、長度達到數厘米甚至數十厘米的超長碳納米管水平陣列，并成功實現了超長碳納米管水平陣列密度的大幅度提升。

最終，該成果發表在納米領域國際知名期刊《納米快報》（《Nano Letters》）上，這給我的團隊帶來非常大的信心和鼓舞。

?基底攔截導向策略示意圖以及所制備的超長碳納米管圖片

給最黑的材料染上色 還能充當“防火衣”

在碳納米管領域多年的堅守也同樣給我們帶來了許多意外之喜。一直以來，碳納米管存在兩個固有性能特性，這嚴重限制了其性能的提升和應用范圍。

一是碳納米管被認為是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度結晶性以及化學惰性，也無法利用常規方法對其進行化學染色。碳納米管單調的黑色和難以著色的特性，使其難以滿足美學和時尚的要求，極大地限制了它們在柔性可穿戴設備、智能織物、功能涂層等眾多領域的應用。

二是作為一種典型的碳材料，碳納米管在高溫有氧環境中容易燃燒，這嚴重限制了它們在飛行器外殼、武器裝備等眾多涉及高溫有氧環境中的應用。

如何實現碳納米管的彩色化以及阻燃性能的提升是該領域一直尚未解決的難題，也是我一直以來的心愿。

在一次偶然的實驗中，我們在碳納米管表面沉積了一層納米級厚度的氧化物薄膜，發現它竟然呈現出了絢麗的色彩！我們進一步研究其機理，發現碳納米管呈現的彩色是由于表面的薄膜與光發生相互作用帶來的結構色的效果（關于結構色，可見《知識就是力量》2023年1月刊）。這種顏色產生的機理與陽光下的肥皂泡、水面上的油膜呈現彩色是類似的。

在后續的研究中，我們通過調整表面薄膜的厚度，得到了色彩豐富的碳納米管纖維，解決了“超黑材料”碳納米管的致色問題。而且，這種結構色材料還能充當“防火衣”，使得碳納米管纖維具有了非常優異的阻燃性能。最終，該成果發表在國際頂級期刊《科學進展》（《Science Advances》）上，并被評選為期刊特色論文。

有志者，事竟成

我經常跟我的學生說，我們多是普通人，要想取得成功，就要多看、多聽、多學、多想。只有那些目標堅定、意志堅強、做事執著的人，才能取得最終的成功，正所謂“有志者，事竟成”，也正是這種信念支撐著我不斷克服困難，朝著一座座“高山”進發。

作為一名博士生導師，如何正確引導學生，如何對學生進行全方位的培養，是我一直在思考和踐行的課題。我一直堅守清華大學所提出的“價值塑造、能力培養、知識傳授”三位一體的育人理念，努力將學生培養成優秀的人才。

?《科學進展》將彩色碳納米管的成果評選為特色論文

科研、教書、育人，這些都是我的日常，雖看似枯燥，但我樂在其中！

（責任編輯 / 張麗靜? 美術編輯 / 周游）