[兰州大学报]光的传奇——访我校光转换材料本科生科技创新团队

日期: 2018-10-08 阅读: 来源: 关键词:

作者:校报记者团 张清禹

2018年8月24日,第十一届中国青少年科技创新奖颁奖大会在北京人民大会堂举行,兰州大学光转换材料本科生科创团队被命名为大学生“小平科技创新团队”,这次评选中全国共有25支这样的团队,兰州大学光转换材料本科生科创团队(以下简称“团队”)是甘肃省唯一一支入选的团队;同时,团队本科生成员史安也同学(萃英学院2014级本科生)还获得了2018年度“中国青少年科技创新奖”。

光转换材料本科生科创团队是我校物理科学与技术学院建设的一支大学生科技创新团队。2013年,物理科学与技术学院积极响应国家加强大学生双创教育号召,以“创新”教育为突破口开展大学生创新创业教育改革,学院整合各类资源建设了“大学生创新创业开放平台”和系列创新课程,并在此基础上组建了多支本科生科创团队,光转换材料本科生科创团队就是其中之一。2017年,为了参评国家级大学生科技创新团队,光转换材料本科生科创团队正式挂牌成立,物理科学与技术学院教师张加驰和李慧慧担任指导老师,团队分别从光物理和光化学方向开展研究。目前,团队已经以本科生为第一作者在SCI一区期刊上发表高水平论文10篇(均为中科院分区的top期刊,其中影响因子大于12的4篇)。

追逐光的方向

团队的主要研究方向是光物理和光化学,两者相互补充、相互借鉴。

张加驰负责指导光物理方向,主要研究发光材 料中的物理机制及应用,“LED灯里的荧光粉就是典型的发光材料,其在高能光的激发下发出可见光,而发光的物理机制就是我们的主要研究对象。”在解释研究方向时,张加驰这样说道。在实验中,王文祥(物理科学与技术学院2014级本科生,现为我校2018级硕士研究生)、田世成(物理科学与技术学院2015级本科生)和吴昊(大气科学学院2015级本科生)同学首次发现了一种高效光激励材料,这种材料能够利用陷阱捕获载流子而储存光能,实现能量存储和信息存储的功能,也就是“新一代光存储技术”。相较于目前常用的U盘(容量小,单元读写次数只有1000次左右)和磁盘(读写速度慢,存储环境要求较高),通过陷阱能级来实现信息存储的光激励材料具有更多的存储读写次数(可达百万次以上),更快的读写速度,更大的存储容量,更稳定和安全的信息存储。此外,利用激光对光激励材料中陷阱信息的读写能力,还可以设计“光存储计算机”。目前,团队利用该原型计算模块已经实现了二进制算术运算和简单的并行逻辑运算,项目负责人淮琳崴和周锦宇(均为物理科学与技术学院2016级本科生)同学特别期待在2019年全国“挑战杯”前完成这台具有重要创新意义的计算机的开发研制。

同样利用光激励材料,孙振宇(物理科学与技 术 学院2014级本科生,现为中科院博士研究生)、淮琳崴和周锦宇等同学还开发出动态多模仿伪和加密技术,并成功实现了在常见货币上的防伪和加密技术应用。除此之外,团队成员在实验中还发现了一些奇特、有趣而又重要的光物理现象,比如在越高的温度下发光越亮的“热敏化发光效应”,以及发光效率可以大于100%的“量子剪裁余辉效应”等等。

李慧慧负责指导光化学方向。在她的指导下,史安也同学合成了具有全光谱反应能力的新型光催化剂,且大大简化了聚合物半导体的制备工艺。这种制备工艺下所生产的有机聚合物半导体,一方面性能佳,它能实现超薄———单原子层结构,以往的同类聚合物半导体超薄纳米片是碎片化的,而它是整体大片,是纳米层次的超薄二维结构,提高了量子效率,即提升了对太阳光的转化利用率;另一方面原料蕴藏丰富价格低廉,可大量运用,不对环境保护造成额外负担。

近年来,光催化技术逐渐得到广泛的关注,并逐步开始在生产和生活中进行运用,但由于量子效率不高、制备工艺待优化等关键问题使得光催化材料急需大力发展,光催化技术拥有着广阔的提升空间。李慧慧和史安也等人通过简单易行的制备工艺合成新型光催化剂,研究发现获得大尺寸单原子层纳米片结构的同时有效提高了光催化材料的催化性能,为设计获得高效光催化剂材料提供了一条崭新的思路,有助于面向应用进行科研探索。谈到光催化剂的研究,李慧慧说道:“科研工作是对真理的探求。我们通过大量的试验数据来寻找规律,试图发现被隐藏了的性能提升原理,进行结果分析和实验设计,最终用获得的实物证明理论和结果,这个过程必须保持刻苦求真的精神。”

对于光物理和光化学两个研究方向的关系,两位老师不约而同地认为:光物理和光化学的研究并不孤立,比如发光材料的光物理性能本身就是靠化学方法进行设计、制备和实现的,而催化材料的光化学性能改善则必须要理解其中的物理机制,因此两者是相互交叉的整体。

基于这个理念,团队在选拔队员时是就特别注重不同学科的兼容并包,队员先后有来自萃英学院、化学化工学院、信息科学与工程学院、大气科学学院、物理科学与技术学院等多个院系或专业的同学,就是考虑到不同学科思维之间的互相碰撞可以产生创新的思想火花。例如,一位信息专业的队员就利用专业知识提出并设计了彩色二维码方案,可以极大提高光存储技术的信息容量;一位大气学院的本科生还曾应用沙尘暴的动力学来解释溶液中的光学现象。“我们提倡多学科相互交叉,鼓励不同学科不同专业不同知识背景的同学加入我们,就是为了实现知识的互补与研究的创新突破”,张加驰解释道。

科研之路无坦途

“科研是一项很孤独的工作,要求你从踏上这一步开始,你是真心爱这一行的,实验结果出来,失败总是远远大于成功,只有真的爱,你才允许错误。”对于科研工作的艰辛,李慧慧如是说道。

刚加入团队的新成员,每个周末都会被要求参加在城关校区举行的文献课。通过上至少一年的文献课,很多意志不坚定、对科研不够热爱或者对研究课题不感兴趣的队员就会陆续离开,而最终通过检验的队员才会被安排具体的实验任务。

物理学院的科创开放平台就建在榆中校区,队员们一般以小组为单位开展课题研究,并且在至少2年的工作积累后才可能取得一定的学术收获。目前,团队里虽然有很多队员取得了优秀的研究成果,但事实上默默无闻的队员更多。

谈起本科生做科研应具有的基本素质,李慧慧说:“在光化学方向,由于实验学科的特性,周期很长,化学实验又要受到多种因素的影响,科研的道路势必充满荆棘。学生要具有主动思考和分析的精神,真心对科研感兴趣,有持之以恒的毅力,诸如面子、攀比之类浮华的因素都不该成为动力;要有较强的行动力,这一点非常重要,在接受老师指导过程中,学生的行动力直接影响着科研进程;要有较好的综合素质,包括实验数据不理想时的心理抗压能力以及团队协作精神。”对于这个问题,张加驰还举了孙振宇同学的例子:“孙振宇做的材料正是一位学长做后认为没用的材料,不过他发现那位学长把一个非常重要的环节遗漏了,所以他最终变废为宝。科研在表面上具有偶然性,但实质上有一定的必然性,只有你具有广阔的知识视野、扎实的实验基础,以及永不放弃的精神和认真细心的性格,你才有资格做科学发现的终结者。”

王文祥几年来做实验所受的挫败不可谓不大,“自己被打击得身心俱惫,可郁闷了,但由于心理抗压能力良好,算是踏实努力吧,最终结果自己觉得还是比较好的,至少在兰州大学甚至甘肃省内都是具有优势的。但是去年参加全国挑战杯时对自己震撼就很大,别的高校尤其是东部高校的不少本科生都可以在JACS和AM级别的顶级期刊上发表论文,顿时有了一种井底之蛙的感觉,觉得自己还得好好努力吧”。孙振宇总结实验的挫败时说:“一方面是实验量大,任务很多,需要做很多次实验;另一方面是结果的不理想以及反复多次进行同一个实验对自己的挫败感。”

科研不是单打独斗

科研过程中,有诺大的困难需要去面对,但更重要的是团队导师给予的那份信念与力量。

张加驰给学生留下最深的印象是他的“开明”与“和善”,他从不约束学生,给学生留有足够的自由发展空间,让学生根据自己的兴趣去选择各自的研究方向与课题,然后“张老师就在背后默默给我们提供经费、技术和理论等方面的支持”;他为人和善,不会给学生带来不言自威的感觉,“与张老师待在一起氛围轻松活泼,我们团队的和谐很大程度上也是因为这吧”,采访中王文祥这样说道。

年轻有为,性格活泼,待人亲切,这是学生给李慧慧贴上的“标签”,她治学严谨、一丝不苟,总是鼓励学生以严谨治学的态度与持之以恒的决心去投身科研事业,“丢掉数据”、“扔掉试剂”等等话语成为同学们科研攻关的响亮的口号、成为支撑大家百折不回一往无前的信念与精神力量。

除了指导老师的关爱,学长的帮助与带动在团队的科研过程中也起到了非常重要的作用。王文祥是在文献课上认识王振斌、邹泽华(化学化工学院2017级博士研究生)两位研究生学长的,他们的热情帮助与勤奋踏实的精神在王文祥学习道路中形成了较大的带动作用:王振斌无惧无畏、敢于拼搏的自我钻研精神和较强的理论功底对他形成了很大的激励和启发,“振斌师兄不迷信权威,不考虑多余的因素,自己探索试验方案然后自己去尝试,虽然有些方向老师已经说没有研究的必要,师兄也会作出一系列数据找老师讨论,师兄经常给我讲一些理论知识,使我受益很多”;邹泽华对实验操作技术以及数据处理非常精通,经常带着王文祥熟悉各种测试仪器的使用方法,“在榆中时遇到仪器故障通常都会先找泽华师兄来帮忙,在数据处理方面师兄很在行,对于一些我们看起来很混乱的数据师兄总能找到规律,这帮我发现了不少新东西。”

科研不是单打独斗,对于以基础研究见长的兰大物理专业,需要大量的实验数据和“混”实验室的能力,与抽象的理论研究迥别。“科研不是研究理论,不是自己一个人清高、深山修道,我们作为一支科研队伍,实质上就是同学们提前进入一个‘小社会’,是在一定的知识基础上建立的小社会,只不过这个‘小社会’比普通意义上的社会更简单、纯粹。”李慧慧这样总结道。

(《兰州大学报》 2018年9月30日 总第925期 第02版:教学科研)

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文:
图:
编辑:赵洋

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