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[兰州大学报]石墨烯见证科学信仰

日期: 2017-07-19 点击: ...
   

学通社记者 张喜栋

  总是一身运动风造型,纯色T恤,黑色镜框,与人交流时眼神里透露着探究的神气与沉浸的专注。在张强强的实验室,几乎每一位学生都认可他这种既学术又自然酷的作风。

  跟着他,团队里的学生们的穿衣风格,做事态度也都有很多相似的地方。而且从他们师生之间的交流看得出来,整个团队很和谐。记者在实验室与他对话时,当讲到与学生有关的话题时,学生之间都会做出吐舌头、互相挤眼睛之类的小动作,可以感受到整个实验室的氛围轻松、融洽。

  正是这样的团队,近日,在三维石墨烯超材料研究方面取得重要进展,先后在国际材料工程领域顶级刊物《AdvancedMaterials》(2016年影响因子19.79,中科院分区一区)发表论文2篇,在美国化学学会旗下材料科学Top期刊 《ACSAppliedMaterials&Interfaces》(2016年影响因子7.504,中科院分区一区)发表论文一篇。其中两篇兰州大学是通讯单位之(上接1版)一,三篇张强强副教授为论文第一作者(其中一篇为共同一作)。此外,相关的石墨烯增强增韧纳米陶瓷复合材料的研究被作为Researchhighlight在 Nature旗下子刊 NatureReviewMaterials亮点报道,给予了高度评价,被认为实现了基于纳米尺度效应实现石墨烯纳米陶瓷增韧增强的重要进展,这对于兰州大学而言是一次重大的突破,意义重大。

  在国外顶级期刊有成果发表,对学校和个人都是一件十分令人兴奋的大喜事,不过,这样的成果在张强强的脸上倒是没有流露出多少波澜,他认为这些成果能在顶级期刊发表只是水到渠成的事情,结果重要,但比结果更重要的是过程,还有过程中的失败等等,“真正厉害的人是具有分解问题和解决问题的能力,有很强的思辨能力。”张强强说。

刻苦钻研  解决难题

  石墨烯自2004年在实验室发现以来,一直被视为材料中的明日之星。这种发现和石墨烯本身性能的出现,也一时之间引起了全球的轰动性关注。张强强说,这个发现让石墨烯聚拢了很多期待的眼光,它既具备材料上的单纯性能,又具有很强的学科交叉性能。“如何在大尺度制备石墨烯的宏观构筑体”是目前材料、物理、力学等学科重要的热点领域之一,对于推动石墨烯微纳尺度优异特性在宏观大尺度利用和多功能化发展具有重要的意义。

  “如此重要的材料,如何去实现高质量控制,如何进行宏量制备,且如何让其能够低成本的生产成了当时以及当下一直存在的一个难题。”这样的难题也成了张强强等科研人员的兴趣点所在,也正是这种可能存在但又看不见的诱惑吸引了他的目光。

  张强强副教授是2016年4月下旬确认进入兰大工作的,之前他一直在哈尔滨工业大学攻读工程力学专业博士,进入兰大之后,7月他开始在学校人才引进经费和土木工程与力学学院西部灾害与环境力学教育部重点实验室平台经费支持下,筹建可以开展石墨烯领域相关研究的多功能材料与智能结构实验室。说到实验室的建设,张老师及其小组成员对学校、学院给予的支持充满感激之情。其实,张强强博士期间跟随导师李惠教授所从事的科研内容,所关注的重点就在石墨烯这种材料领域。读博期间,他所在的团队在《AdvancedMaterials》《ACSNano》《Small》《Carbon》等期刊发表了一系列关于3D石墨烯负泊松比超材料,石墨烯超轻磁弹性体、世界最轻3D石墨烯气凝胶和三维石墨烯基超柔性导电高分子材料等研究成果。各项成果均具有重要的研究价值,其中关于 “双曲形貌3D石墨烯超材料负泊松比效应和超材料研究”,该论文在国际上首次发现了三维石墨烯材料中存在的负泊松比效应和超弹性特征,并在VIPPaper发表。此外,3D打印超轻石墨烯材料被列为2018年3D打印石墨烯最轻材料的世界吉尼斯记录,首次发展了基于低温冷铸成型制备3D石墨烯剪裁结构的技术方法,成为2016年Small期刊Top10浏览文章,并受邀参加法国蓬皮杜艺术中心的3D打印世界专题展览。

  截止目前,张强强本人已在材料领域TOP期刊发表一区级别论文数十篇,共计发表英文文章20篇以上,累计影响因子超过100。厚积方能薄发,历久才会弥新。虽然有如此扎实的基础,如何在源头上解决和制备石墨烯,让这种材料从原有“低质量、高成本、小产量”的特征,转化为“高质量、低成本、工业化生产”,成了张强强和他的学生团队一直思考的问题,也是他最为主要的工作之一。

  “广义层次而言,就是你如何将微纳尺度的这种材料向宏观大尺度转变,怎么样做大?而且还要让石墨烯继承一种优良的性能。”张强强说,“2004年被发现以来,它的本身制备是一种物理性的,经过10年的发展,我们的研究开始推动它向3D发展,这是有别于石墨的。”

  但是选择什么方法生长三维石墨烯,让其从二维向三维转化,而且让生长出的三维石墨烯能保持超轻力度、超弹性变形和足够的稳定性?张强强团队采用脱离基底模板进行水性和化学合成的方法,一改原来需要高温金属基底的气象沉积方法,通过化学合成手段,避免了化学气相沉积法的复杂工艺,“这样就相对轻松地助推了石墨烯在工业方面的大量制备。而且还能通过氧化还原过程,对其进行修饰、改造,或者通过生物搭载制造新能源材料。”

  针对石墨烯的优点,张强强老师又补充了该材料在3D打印,口腔医学等方面的应用与推广。他说,近期发表的三篇文章不仅首次实现了常温常压条件下大尺度制备三维石墨烯材料的自然干燥技术,对于石墨烯材料的低成本、大尺度、大规模化生产应用具有重要意义。而且气凝胶具有比传统冷冻干燥或者超临界干燥技术所得材料更为优良的性能,如高达99%的可恢复压缩超弹性、可调节泊松比特性、高电导率、稳定压阻效应等,三维石墨烯基纳米陶瓷复合材料多尺度超弹性效应,微界面热阻调控实现超绝热和耐火性能,为解决功能陶瓷复合材料固有脆性和低韧性方面,提供了新的思路和方法手段。

允许自由的失败

  “安贫乐道,做研究,你要热爱,要有足够强烈的兴趣爱好支撑你。”张强强说,“兰州大学办学条件相对不容易,尤其是在我们实验设备方面不是太齐全,就我们自己的研究而言,没有原位加载变形的仪器,这就让人有些苦恼。后边,我们寻求帮助,通过与美国一些研究老师开展合作。另外,我们在科研经费方面相对薄弱,需要学校和社会更多的支持。在这样的条件下,如何做研究、怎样做好研究就需要足够的兴趣。”

  张强强老师的团队由三名在读研究生和三名保研的本科生组成,以研一研二的学生为主力军,而这些学生最开始学习的是土木,而研究生做的又以力学分析、微观结构设计和材料为主,这就需要适应,需要过渡,“每个学生会有专业和知识基础的瓶颈,需要他们在实验过程中不断积累和按需补充。”张强强说。

  张宝强是张强强老师到兰大后带的第一届学生,也是他唯一的大弟子,他说自己刚开始的状态用一个现代的词来说就是“很low”,很多东西需要重新学习,查一些基本概念,多看文献。

  “刚开始的时候我们会受限于自身学科的问题,遇到过渡方面的困难,时间长了,一到关键时刻会再次将我们堵住,很多东西做不出来,这个时候我们就会再和张老师多商量,开始换思路,换方法。”张宝强说:“但张老师他自己不会直接告诉我们方法,他会尽可能多的给予我们一些建议,鼓励我们自己多去尝试,不用害怕失败。经过这样多次的锻炼,让自己更多地熟悉研究的领域。”

  眼界决定高度,开拓思路。张强强说“我们的实验要多鼓励学生尝试,尝试自由的失败,老师也应该创造和提倡一种宽松自由的失败。学生自信心不足,你要鼓励他们,鼓励他们尝试交叉领域。”

  “培养人才不是培养科研民工。”对于如何去培养研究生,他直言自己不是老板,学生也不是包身工,要少责骂学生,要培养学生独立思考以及处理问题的能力。我不希望有一天我的学生离开我的小组,离开兰大的时候,满怀的是怨言或者挣脱牢笼的兴奋。我希望更多的是他们对自己在这里曾经做过的事和收获的成长无悔,是对这片黄土地的留恋和热情。我不想他们离开兰大的时候带走的是几篇文章,几组数据;我想给他们经过几年的锻炼学习,塑造科研的素养、科学的思维和崇高的人格。不管他们毕业后走向什么岗位,我相信这些东西都能使其受益终生。我不会给学生直接解决问题的方法,不会直接给他们‘鱼’,而是锻炼他们如何‘渔’。”

科研不是跟风 要善于思辨

  石墨烯具有独特的晶体结构,在各个行业有着广泛的用途。近些年,石墨烯这种材料被市场炒得风风火火,很多行业都提,但很多又真假难辨。对于这样一种现象,作为一个研究者而言,张强强认为应该冷静思考,要时刻做一个思考者,要具备判断的敏锐度和能力。他说有一次参加一个学术会议,会上刘中范院士“制造决定未来”的论断对他影响很大。

  他相信石墨烯这种本身制备困难,而又用途广泛的资源应该是将其放置在一个高度,应该像刘院士所说的一样,用战略的眼光将其视作战略资源对待,石墨烯的定位亦或是战略材料的碳纤维或者是走进千家万户的塑料,但不是火热炒作的各种石墨烯产品。

  “要有敏锐的眼光和判断力,要有知觉和灵感。”这是他对如何做科研的一些警觉,“科研不是盲目跟风,你要有意识地提出自己的问题,要学会从否定中进行肯定。往往厉害的‘大牛’都具备强大的思辨能力,这也是对科研学者的一个高度追求。”

  他说,你做科研一定要尽可能地满足国家和社会的需求,“起点可以不限,但是最终的落脚点一定要在那。这是大趋势,也是行业环境所向。”

  允许学生失败,作为一个有一定经验的研究人员,张强强也会在平时的工作中遇到头疼的问题。他说这个时候他经常会和别人讨论、交流,他认为讨论交流是我,总会有新的火花在不经意间碰撞出来。有趣的是,据他学生说,聊天也是他除打球等个别兴趣之外的兴趣爱好之一。

  “加州理工有个和爱因斯坦齐名的伟大物理学教授教费曼,诺贝尔物理奖获得者,每当有学生和老师遇到问题的时候,都喜欢找这个老师聊天,而这位老师说话又毫不客气,可以用刻薄毫不留情来形容,但加州理工学院的师生都很喜欢找他聊天,因为他能触及很多问题的实质,给他们进行思考和判断的直觉。”

  智者善思,好学者善从。关于思考和思辨的理念,在张强强的团队里面也有深刻的影响。赵可人是他团队暂时唯一的女弟子,她非常赞成导师的观点。她说,团队在交流的过程中,观念和思维方式各有不同,有的人分析问题如庖丁解牛,丝丝入扣;有的人则直截了当,一针见血。遇到问题大家聚在一起头脑风暴,往往能碰撞出不一样的思维火花。

  (《兰州大学报》第906期 01版)图文链接请点击

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编辑:李赛
来源:兰州大学报
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