心向功能应用 快乐坚守科研——记湖南大学特聘教授、美国加州大学洛杉机分校终身教授段镶锋

□ 王 军

段镶锋

2017年8月初，段镶锋又登上了热搜。他和湖南大学段曦东作为共同通讯作者在Science上在线公布了二维材料领域的一个重要突破，在国际上首次报道了一种能控制异质结、多重异质结和超晶格二维原子晶体生长的普适性合成方法。这种外延生长法可以巧妙地制备出多种多样的二维材料异质结构，为进一步研究二维材料的特异性能，实现其应用潜力提供了一个可靠的合成手段。

在很多相关媒体报道中，段镶锋被称为“大家熟悉的段镶锋教授”。只因他在专业领域的知名度和他是Science的“常客”。就在这次发文的前几个月，段镶锋同样以通讯作者的身份在Science上公布了关于纳米材料和储能领域的重要研究进展。而论文的共同第一作者梅琳，同样为湖南大学化学化工学院的1名博士后。湖南大学是论文第2单位。

“希望能够把这里（湖南）的科研和青年人才培养带动起来。”4年前的返乡初衷犹在心间，而这份初衷对段镶锋来说是无论身处何地都要践行的。

从湘西南走出的留美教授——山村娃的蜕变

对很多人来说，段镶锋如今在科研上取得的成绩已经算是让人羡慕了。跨洋出国后，他先后获得美国哈佛大学化学硕士和物理化学博士学位；2001—2008年在美国Nanosys高科技公司工作，是该公司的联合创始人之一；2008年起到美国加利福尼亚大学洛杉矶分校任教直至成为终身教授。

因为出色的科研表现，他先后获得“MRS全美杰出研究生奖”“全美发明家竞赛大奖”“世界百位杰出青年发明家”等众多奖励和荣誉。2001年，他与自己的妻子，现同为美国加州大学洛杉矶分校教授的黄昱合作完成的纳米电子领域成果被Science评为2001年世界十大科技进展，并名列榜首；2011年2月10日，汤森路透集团发布了2000—2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单，段镶锋排名全球第41位；而在全球顶尖一百材料学家名人堂榜单中，他排名全球第20位。2013年8月，因为在纳米科学领域，特别是石墨烯和光催化作用方面的杰出贡献，他获得贝尔比奖章，该奖章极少授予华人科学家，段镶锋也成为该奖83年历史上第3位华人得主……

在科学探索的世界里，段镶锋一直就像在浪潮前端尽情享受搏击快感的“冲浪者”，但就是这样一位科学家，却也坦言自己对于科学探索的兴趣，是慢慢培养起来的。

打开互联网搜寻关于段镶锋的话题，除了他居于领域前沿的系列研究突破之外，最为人津津乐道的就是他那些被赋予“传奇”色彩的经历。

1977年，段镶锋出生在湖南省邵阳市武冈市一个小山村。这个小山村是当地出了名的“状元村”。自恢复高考以来，这个小山村共有100余人考取了大学，50多人考取了北大清华等重点大学，在美国哈佛等著名大学留学的也有好几人。

虽然从小生活在偏僻的山村，段镶锋却有幸成长于一个崇尚知识、崇尚教育的家庭。在相对贫困的年代和地区，父母倾尽所有为他们兄弟们提供了一切可能受教育的条件，为他们订购了许多儿童读物，如《儿童时代》《少年文艺》等。这些读物，启发了他对神秘科学世界的向往之心，其中《儿童时代》在80年代初连载的科幻故事——《威尔历险记》中的三脚机器人就给他留下了深刻的印象。

虽然感兴趣，但段镶锋坦言起初对科学也仅仅停留在懵懂认知的程度。真正带他通向科学之路的，是哥哥从大学里带回的那些物理、化学书。这些书就像帮他打开了一扇通往广阔探索天地的大门。当知识结构逐渐完善过后，段镶锋的探索视野得以一步一步扩大，探索的欲望也越来越大。

15岁，在很多同龄孩子还来不及思考未来或者分不清梦想方向的时候，段镶锋的命运因为一纸中国科技大学少年班的推荐表得以改变。他通过少年班的招生考试进入中国科技大学学习。在这个著名的“科学梦想摇篮”里，段镶锋的科学知识得以不断完善，数理化各方面都打下了扎实的基础。从大三起，他在李亚栋老师（现中科院院士）的引导下开始介入科研，而他的纳米材料探索之旅，也从那个时候徐徐开启。“科大给了我扎实的基础和让我找到了未来的方向。”时至今日，段镶锋依然对带自己起步的母校和导师感恩在心，并保持有长期的合作。

1997年，结束5年学习的段镶锋从中国科学技术大学毕业，远跨重洋到了美国，此后在世界级科研殿堂哈佛大学学习深造，又到美国硅谷的前沿科技公司创业，再回到世界顶尖的高校从研、从教……每走一步，他都有自己的思索和考量。20年过去，那个曾经蜗居在小山村里的山村娃实现了人生的升华，走出大山在世界级科研殿堂里践行自己的科研梦想。不变的，是那份奋斗改变命运、人生贵在创造价值的信念。

从性能到功能研究再向产业——心怀梦想科研人的坚持和“倔强”

2001年，段镶锋和妻子黄昱合作完成的纳米电子领域相关成果被Science评价为“本年度重大突破”，为电子器件进一步精巧化迈出了一步。在过去的10年中，提高计算机的运行能力主要依赖于把越来越多的电路组装到芯片上，这意味着电子器件尺寸越来越小，其组装程序也越来越困难。在该项成果中，他们成功地利用液体流动的动力将无数的且小到只有十亿分之一米的分子线排列成约毫米级的长度，再通过改变液体流动方向，使其互相交错地排列形成电路和电子器件，这使纳米电路的低成本加工成为可能，在电子计算机和电子元件微型化方面显示出很大的潜力。

段镶锋和他的妻子素有纳米界“神雕侠侣”之称，两人同为科大学子，又一同到美国哈佛深造。早在攻读博士期间，师兄妹就大力合作，双双在Science和Nature发表多篇与半导体纳米线器件有关的研究成果；此后在美国加州大学洛杉矶分校化学系和材料系分别成立独立课题组，同时继续合作在纳米材料和纳米器件领域发表了多篇Science和Nature论文。“但我与她（黄昱）在具体的研究方向上还是有所不同的，她更着重于纳米材料调控的基础研究与纳米催化，而我个人的研究兴趣和目标主要集中在纳米电子、能源材料及其功能应用。”事实上，段镶锋对自己要进取的方向早已经有了清晰的规划：

“做了纳米材料研究以后，我们自然会想，做这些研究到底有什么用？于是就想去深究它的基本物理性能，一般来说纳米尺度都有可能带来一些新的光学、电子学性能，研究了性能以后我们又想怎么把这个性能真正用起来做到功能，最后又思索功能如何用到实用产品上去。”对段镶锋来说，他多年走出的科研轨道就像是一条联通上下游的“直线链条”，其实是自然而然的深究过程。但对很多人来说，这条从初级到终端的路漫长且考验人的耐力和持久力，段镶锋却执意为之，只因为他坚持“研究要体现实用价值”这一信念。而这也是他早年进入企业的主要原因。

新世纪初，美国的硅谷已经进入成熟期，作为美国乃至全世界的信息技术产业先锋，那里孕育了一批包括苹果、谷歌、英特尔、惠普等在内的大批知名高科技公司，形成微电子产业、信息技术产业等产业集群。

从哈佛毕业以后，段镶锋就作为共同创始人之一加盟美国Nanosys高科技公司，成为硅谷中探索前沿产业的创业者一员，致力于开发出与纳米线、量子点等纳米材料相关的各类产品。

“高校的资源毕竟有限，而且关注度也不一样，所以涉及产业转化的问题需要在公司里去做，当初我选择加入创业公司的初衷，也是想把自己在研究生阶段的研究成果拿出来，看看是否可以将其从概念一步步推到产品。”在Nanosys，段镶锋一待就是7年，历任联合技术顾问、先进技术科学家、先进技术高级科学家、先进技术部经理和首席科学家等职。期间，他得以接触到涉及产品终端的方方面面的问题，拓展应用领域知识的同时，也对基础技术研究的方向有了更深刻的领悟。

作为技术创始人之一，段镶锋在Nanosys工作期间探索和创造了很多纳米材料的应用概念，有的概念虽然创新性很好，在商业化过程中却遇到极大挑战，有些最初未必最看好的概念相关产品却已成功推向市场。现下新兴的量子点电视的核心技术基本上就起源于这家公司。

“这期间，我深刻地体会到从概念到产品的过程是多么的不易，它与做科研不一样，做科研有可能我们解决其中一个关键难题就可以说是一个突破，但要做产业的话，不管是多大多小的问题，你都得把所有的问题解决了，最终才能形成一个可用的产品。而且这些问题还不仅仅是技术上的问题，还涉及各方产业经济利益、竞争、下游客户的意愿取向等各种问题。”因为艰难，很多人在这条路上转了弯，段镶锋却学会了两个字——坚守。

“做产业难，做基础产业更难。一个材料要做成产品，一般没有五到十年的坚持很难成功，有的甚至要更长久。你需要很长时间的不断积累，不断发现问题，不断改正，不断创新，最后才能够做出最好的产品。”时至今日，通过10余年的锤炼和反复总结，段镶锋算是打通了从材料到性能再到功能产品链条上的各个环节，形成了自己的优势。

现如今，段镶锋还一直坚持跋涉在这条路上，虽然已经离开了企业，但面向实际应用的研究成果也还在陆陆续续地获得突破，与企业的合作转化也还在继续。心怀梦想，跋涉就不会停止。

“承朱张之绪，取欧美之长”——引智援湘助湖大发展

朴素的穿着、没有任何华而不实的言语，段镶锋给记者的感觉一直都是科研人特有的温吞、谨慎。即使是在说到他已经被“传奇化”了的种种话题的时候，也刻意地规避掉众人眼中的“亮点”，尽力将“传奇”归于平淡，最后再引向学术。言谈中最明显的，是他多年未改的湖南乡音。

“这边确实有一些不错的老师，我们在工作上多有交集，平时挺多沟通与交流。在这过程中我发现我们确实有一些可以一起推进的事情，而且湖南大学也很想在这方面有所进益，将科研和学生培养向前推进。”保持一惯的平实，段镶锋如是阐述自己受聘湖南大学的初衷。

2013年，段镶锋成为湖南大学特聘教授。2013年年底，他依托湖南大学化学化工学院、“化学生物传感与计量学国家重点实验室”和湖南大学物理与微电子科学学院“微纳光电器件及应用教育部重点实验室”组建起“微纳系统与器件”课题组，旨在纳米材料的合成、组装和表征；先进电子和光子材料与器件；能源利用、转化与存储；生物医学传感与治疗等方向进行一系列具有重大原创性的理论、实验或工程技术研究，使研究成果具有国际先进水平。

当有了一个工作平台，段镶锋最想做的事情就是把一批年轻人带动起来，并以点带面，打造一支有自己独特优势的特色团队。让他感到意外惊喜的是，虽然湖南大学处于中西部地区，但这里的学生在对科研的兴趣和各方面能力上的表现上在很多地方并不逊色于其他地方的学生。“在我看来，学生都各具潜力，是否能发挥出来关键要看师长的付出，包括合适的引导和交流。”

虽然并没有全职回国，但在段镶锋看来，只要有心，地域和时空的界限并不能阻断他和学生之间的联系，平时，他尽可能多地利用邮件、远程传输等各种快捷的方式与学生保持沟通。当然，一旦有需要，他也能很便捷地回来处理各项工作。对科研，段镶锋一直持有一种开放的态度去接受不同的思想，而这也是他当年跨出国门直至在两地间奔波不断联系的初衷，他也非常感谢湖南大学的师生能以同样的态度给予他大力的支持和配合。“承朱张之绪，取欧美之长，华与实兮并茂，兰与芷兮齐芳”，湖大正以实际行动展现她的兼容并蓄、开放和包容。

在这样的支持下，湖南大学团队的工作推进得很顺利。借助于他多年在基础研究和应用研究各个环节都有积累的优势，他所带领团队立足前沿和实际功能应用所需进行深度探索，一方面有效地把材料的特性体现在功能上，另一方面还能根据功能需求去设计材料，然后采用自己发展的方法去把材料做出来。发挥特色优势，这几年，团队成果显著。文首发表在Science上的两项成果，即是代表性成果。

荣获2013年贝尔比奖章

日常生活中许多产品离不开电池，但电池的充电速度和使用时间往往不甚理想。在储能（主要指锂电和超容）领域，充放电电流密度和电源的比能量密度一直是一对不可调和的矛盾，此消彼长，相生相杀。高功率密度和高能量密度的可充放二次电池电极材料一直是科学界致力研究的关键难点。

为解决这个问题，段镶锋带领美国加州大学洛杉矶分校化学系博士后孙洪涛和湖南大学博士后梅琳等人共同在Science上发表《三维多孔石墨烯/Nb2O5复合结构电极材料的高倍率储能应用》论文。论文报道他们以三维多孔石墨烯/Nb2O5作为负极材料，实验发现三维多孔石墨烯可以作为框架结构实现纳米电极材料的高负载量装载，同时其优良的导电性能和多级孔结构可以实现快速充放电过程中电子和离子的快速传递，功率密度接近超级电容器，而该电极材料在特定条件下能量密度能够接近普通二次电池的能量密度；同时电池在大倍率电流循环10000次后，容量衰减仅为10%，远高于普通锂电池的循环寿命和倍率性能。除了寿命长、循环稳定、快速充放电等优势，所制备的电极材料负载量实现了与工业水平相持平。成果为未来研制充电速度快且续航能力强的电池迈出重要一步。

中国科学院金属研究所的成会明院士和李峰研究员评价了这一发现，“这种高容量和高电流密度的良好结合前所未见，标志着高性能电极材料在向商用储能器件方向的发展道路上迈出了关键的一步。”

快乐坚守科研

还有相关学者评价认为：“尽管成果离商用推广还有颇多差距，但段镶锋教授课题组立足三维石墨烯复合电极这个‘老idea’，从商业电极面临的困难出发，材料设计、原理解释都做得非常漂亮，称得上是储能领域研究论文的典范。”

“任何研究你追根溯源总有蛛丝马迹可循，对我来说创新不是盲从跟风，但绝对需要清楚你最终要解决的问题和要实现的目标是什么，发现关键挑战所在，结合自己的优势，把别人不能做到或者还没做好的事情推到一个新的高度，推到极致，重要的是你所做的事情最终能够体现出其价值。”段镶锋的总结也展现了他在研究上的独特领悟。而他在二维材料研究上的突破同样证明了这一点。

二维材料如石墨烯、单层和少层硫化钼(MoS2)、硫化钨(WS2)等是近年来新开发出来的材料，具有优异电学、光学和力学等性能，在新一代电子和光电子器件方面（如低能耗、低成本柔性显示器件、新型光电子和量子器件和传感器件等）有着重要的应用潜力。要挖掘它们更多的应用潜力则需要发展能精确控制其化学成分和电子结构的可靠的合成方法。

在湖南大学“985”高层次引进人才建设经费和化学化工学院的大力支持下，段镶锋及其研究团队通过改进传统的化学气相沉积(CVD)装置，发展了原位改变气相反应物技术，这是获得横向异质结的关键。这种原位改变气相反应物的技术对制备横向异质结具有通用性，如研究团队利用该技术成功制备出了WS2/WSe2、MoS2/MoSe2等单原子层横向异质结。在此基础上，研究团队利用这些横向异质结制备了一系列的功能器件，包括P-N结二极管、光检测器和反相器等。在相关领域，国际上还有两个研究团队几乎同时开展了类似的研究。在这场激烈的科研竞争中，湖南大学科研团队的数据最充分，而且详细示范了其电子和光电子器件应用。论文在网上在线登出后，成为《自然·纳米技术》杂志的点击量最高的文章之一。《自然·材料》和nanotechweb.org网站等多家专业期刊和媒体也进行了专门报道。文首提到的最新发表在Science上工作则把这个方向推向了一个全新的高度，在国际上首次实现原子层厚度的多重异质结和超晶格的合成；为二维材料领域的进一步基础研究及功能应用提供了一个坚实的材料平台。

将纳米材料在燃料电池转化与存储上的成果应用于新能源电动汽车；将信息产业几十年发展的技术应用到生物检测、疾病诊断等领域，服务于健康产业，譬如研究一种可穿戴的电子材料薄膜产品，它可以显示脉搏的波形、血糖的数值等，从而帮助疾病患者实时监控健康状况……在段镶锋的心里，一直有很多研究应用的美好愿景。他最乐意看到的是这些纳米技术能在实际应用中让几乎每个人都能受益，能使普通人享受新技术带来的快乐。而这也是他保持源源不断研究动力的快乐源泉。