在材料的沃土上勤耕不辍——记清华大学材料学院教授朱宏伟

本刊记者　王　涵

在材料的沃土上勤耕不辍——记清华大学材料学院教授朱宏伟

本刊记者王涵

作为碳元素家族的新贵，石墨烯自2004年诞生以来就成为了“神奇材料”的代名词。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，被称为“新材料之王”。

随着2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发明者——两位英国物理学家安德烈和康斯坦丁，一时间科研圈掀起了一股石墨烯的研究热潮。石墨烯也成为了越来越多科学家选择的研究材料。

2015年12月1日，教育部科技发展中心公布了2015年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）获奖名单，由清华大学材料学院教授、博士生导师朱宏伟主持完成的项目“石墨烯材料的结构设计与应用技术研究”获自然科学奖二等奖。

“石墨烯材料不能直接拿来用，所以它的结构设计就很重要，这个是跟应用相关的，需要面向不同的应用进行研究。”朱宏伟说。从2008年回国之后，朱宏伟团队便专注于石墨烯材料的可控制备与性能研究，学术问题涵盖结构设计、光电转换、柔性器件、吸附过滤等方面。通过调控石墨烯与其它材料的表/界面相互作用，团队探索了石墨烯在纳米能源、纳米探测和纳米环境应用中的性能。

追踪材料热点

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”。尽管科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，但在朱宏伟看来，“尽管石墨烯材料基础性能非常好，很多实验和理论也验证了这一点，但从应用层面来讲还是有瓶颈的，首先就是它的制备。一个新材料不经过几十年的发展，它的制备技术是很难完善的。”他介绍说，“我们现在做的就是：第一，寻找石墨烯材料的制备新方法；第二，面向不同应用对结构进行再设计。”

此次朱宏伟团队的获奖项目“石墨烯材料的结构设计与应用技术研究”，便是围绕石墨烯结构设计及光电材料、传感材料和膜材料领域从事基础研究工作，从材料“结构－性能－应用”的基本关系出发，通过调控石墨烯及其与其他材料的界面相互作用，分别设计了“石墨烯/半导体”“石墨烯/高分子”“氧化石墨烯渗透膜”等结构，并在此基础上探索石墨烯在纳米能源、纳米探测和纳米环境应用中的使用性能。

项目揭示了石墨烯“多功能”光电作用机理，提出了基于“石墨烯/半导体”异质结模型的光电材料与结构。在此基础上设计并实现了石墨烯-硅异质结太阳能电池模型，阐明了该异质结的基本原理，开辟了石墨烯太阳能电池研究的新方向，并已发展为基于石墨烯的太阳能电池基础模型之一。“石墨烯/半导体”异质结模型自提出后已被国际上26个小组借鉴并进行拓展研究，被列为石墨烯光电器件的6大代表性结构之一，在欧盟石墨烯旗舰计划60余位科学家撰写的年度报告中被作为重点结构进行评述。

同时，朱宏伟团队还提出了“滑动+裂化+回复”应变传感新机制，设计了基于“石墨烯/高分子”弹性体模型的传感材料与结构。制备了基于编织结构石墨烯的应变传感器，通过宏观编织结构和微观多晶形貌的合理设计，显著提升了薄膜石墨烯的应变响应，实现了超高灵敏，系统阐明了该类应变传感的作用机制，推动了新型应变传感材料的发展。

此外，他们还提出了氧化石墨烯渗透膜孔隙的精确控制方法，开发了基于“氧化石墨烯层片孔”自组装模型的膜材料，将氧化石墨烯层状结构引入膜传质过程，系统研究了离子选择性跨膜传输过程，深入探究了不同离子的选择性渗透机制，推动了氧化石墨烯薄膜在污水处理及循环利用、海水淡化、过滤分离、能量转化及储存等领域的应用。被膜材料领域专家评价为水处理“膜材料领域的突破”，在海水淡化领域专业期刊Desalination的3篇综述中大篇幅引用评述。

“我们研究的出发点就是，首先一定要有自己的核心技术；第二是要有自己的结构设计方法；第三是要面向未来的智能应用。石墨烯材料本身柔、轻、薄的特点，就是未来应用的发展趋势。”朱宏伟介绍，考虑应用不仅要从整个领域关心的问题开始，同时还要瞄准国家重大需求问题，比如能源以及环境问题。

2015年10月28日，由青岛国家高新技术产业开发区、中国石墨烯产业技术创新战略联盟等单位联合主办的2015中国国际石墨烯创新创业大赛总决赛在青岛落幕，由朱宏伟课题组和澳大利亚阿德莱德大学Dusan Losic教授联合开发的Functional graphene membranes for water purification项目获得年度总冠军。该项目开拓了石墨烯薄膜在水净化领域的应用先河，在水体污染日益严重、人类面临水源危机的今天，具有非常重要的意义。

执着科研 合作创新

他是清华首位以第一作者身份在《科学》发表论文的研究生，他的博士论文获清华优秀博士论文奖，并且入选全国百篇优秀博士论文，参与主持的项目还曾获得2006年度国家自然科学奖二等奖……

如今，在碳纳米管以及石墨烯领域取得不菲成就的朱宏伟，在最初接触碳纳米管的日子里，对此其实一无所知，更谈不上有任何兴趣。当导师问他知道什么叫“巴基管”时，他还误以为是晶体管。

可就是在最初缺乏兴趣、实验室条件极其恶劣的情况下，朱宏伟仍然坚持了下来，并渐渐地从中找到了乐趣所在，“兴趣不是天生的，而是靠培养的”。

为了看清碳纳米管的形态，他在闷热狭小的暗室中不分昼夜地冲洗照片；为了得到准确的力学性能数据，他跑遍了北京市几乎所有的材料分析中心……随着科研的深入，朱宏伟的兴趣也在不知不觉中培养起来了。正是凭借这样一点一滴的积累，朱宏伟渐渐走出了自己的一片天。

2001年5月，在一次实验中，他惊奇地发现了一些长达20厘米的碳纳米管，这是当时世界上发现的最长的碳纳米管。一年后，朱宏伟以第一作者身份将这一成果发表在《科学》杂志，这是首位清华研究生以第一作者的身份在这份杂志上发表文章。同年，他获得了清华研究生的最高荣誉——特等奖学金。同时，仅在博士期间，他就发表论文32篇，其中SCI收录28篇，EI收录2篇，会议论文2篇，国家发明专利5项，美国专利1项。

“在科学研究中，当你处于绝望的边缘的时候，离成功就不远了”，在朱宏伟看来，做科研90%都是失败的，这是一个常态，而成功就源自于在一次次失败中所积累的经验和知识，最重要的便是对科研矢志不渝的执着精神。

在交叉学科迅猛发展的21世纪，不同学科、不同团队之间的合作也越来越重要。尤其是要将一个技术、产品推向应用，产学研用之间的合作就更不可小觑。

近日，由清华大学朱宏伟团队和北京华大智宝电子系统有限公司联合承担的北京市科技计划重大项目“石墨烯温度流量一体化传感器件研制”历时两年研发，取得重要进展。

该项目针对热力系统检测用流量、温度传感器的应用需求，通过对石墨烯传感的作用与规律研究，突破了石墨烯材料在热量表流量计应用的关键技术，通过石墨烯晶片形状、尺寸、表/界面状态对传感性能调控，基于石墨稀材料的传感工艺结构设计，研制了大量程、高精度的流量、温度传感器，解决了现有传感器表面结垢、功耗高、精度低等问题，形成了批量制备能力，有望在热力系统进行规模应用。

“我们这个项目就是一个非常好的合作方式，不仅有基础研究、应用研究，还有用户参与，我觉得是很有代表性的。”朱宏伟介绍道。

“其实我是一名教师”

2015年12月，孙鹏斩获2015美国MRS秋季会议研究生奖银奖；2014年10月，李虓博士论文入选施普林格出版社Springer Theses丛书；2013年6月，李昕明荣获“清华大学研究生学术新秀”……打开朱宏伟牵头的纳米实验室主页，大量关于学生获奖、论文发表的信息扑面而来，这是一支年轻且富有创造力的团队。

“我对我们实验室的发展还是很有信心的”，采访中朱宏伟曾多次提到。面对现在鼓励高校教师创业的时代趋势，朱宏伟仍然保持自己的初衷。

“人的精力都是有限的，过于分散的话在某一个方面必定会有所欠缺。尤其是教师，不管你做什么，都应该以教育为本，这才是第一位。不过这也跟性格有关，有些老师喜欢挑战，喜欢创业，就没那么多时间跟学生在一起，但我还是喜欢在学校当一个老师，平时教教课、写写文章，和学生待在一块。”朱宏伟说道。

对于学生的培养，朱宏伟采取的也是“放羊式”管理，不会天天监督、让学生汇报工作或者规定指标等。“从科研到管理，我们一般都是自由的，包括选题都是以他们为主。如果实在无法选择，最后再由大家开会讨论的时候一起确定。”朱宏伟说道，“管理上虽然很自由，但学生们也都非常自觉。”

“当然，这种‘放羊式’管理也是有前提的，事先的任务必须分配好。而且材料学院本身对学生的要求就比较高，我对他们的要求会更高，底线不能丢。”朱宏伟强调，对于学生的要求首先老师就得做到以身作则，不管是生活规律还是科研习惯都是如此。他每周都会和课题组学生交流实验的进展，指导学生用科学的方法做实验和分析实验，这种言传身教让课题组的成员迅速成长。虽然肩负着科研工作和家庭的压力，但是他还是投入大量时间完善实验室的管理。为了保障实验室的安全，他根据自己多年实验积累的经验，亲自起草了实验室各种设备的操作规范，对每一种设备都给出了详细的操作步骤。这一整套操作规范有效地保证了实验的正常进行，降低了安全隐患，实验室里研究生们对实验过程中的安全更放心了。这套操作规范还得到了其他实验室的认可，同学们纷纷前来学习交流。

“2008年起我们实验室就在做石墨烯研究，去年开始转向了更多的二维材料。因为石墨烯非常热门，一个东西太热的话就会开始走下坡路，所以我们既要跟踪热点，也要回避它。”朱宏伟介绍。

科技的最高成就在于应用，对于朱宏伟而言，这亦是他最大的目标。“要想把一个技术真正推广确实很难，一定要和外面合作，要有一个非常大的团队。做科研本身并不是特别难，关键就是怎么将它转化成对人们真正有用的东西。很多博士研究生做的成果等他毕业后就没人管了，如果老师不去推动的话，这个成果就没用了。所以，如何将成果推向应用就是我们现在必须解决的问题。”朱宏伟说道。尽管转化之路异常艰辛，但对这支朝气蓬勃的团队，朱宏伟依然充满了信心。