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我的创新故事——创新是“变废为宝”的金钥匙

日期: 2014-04-18 点击: ...
   

题记:

  在中国古代,有一个《变废为宝》的寓言故事:丰沛的雨水使田里杂草狂长。农夫见了,非除之而不甘。尤其是红根猪草对庄稼为害甚烈,农夫更是深恶痛绝!红根猪草忍不住叹息道:“我们如此不受欢迎,遭人唾弃,活着何苦呢!”其他的杂草赶紧安慰说:“其实,我们都不必妄自菲薄,只是站错了位置而已。如若将你拔切后喂猪,显然是很好的饲料。当然还可以与我们一起拔晒后烧成草灰,不也能肥沃土壤么?”农夫听了,立即改变了对杂草的态度,将它们化腐朽为神奇,使它们成为庄稼的供给营养。

  的确,物品是“死”的,而人却是“活。只要我们善于思考、勤于创新,就能创造出“变废为宝”的奇迹!而我们的科研创新,何尝又不是这样呢?

  甘肃兰州,位于西北的黄土高原,一颗古丝绸之路的明珠。在这里,穿城而过的黄河滋润着两岸贫瘠的黄土地,也抚育着一所百年名校——兰州大学。而我的科研创新故事,则要从兰州大学本科生“藏鹰”科研创新团队说起。“藏鹰”团队是一支以本科生为主体的大学生科研创新团队,研究方向是“发光材料”,首席导师是中国第一位藏族博士、著名材料科学家——王育华教授,而“藏鹰”两字则源自同学们对王育华教授的昵称。

  我的名字叫冯鹏飞,是兰州大学物理学院材料物理专业10级的一名普通本科生,虽然从小就是“调皮蛋”、“孩子王”,但我一直对科学研究情有独钟,当一名科学家也是我的心中的理想。正是出于对科学的神往,入学后我就和几个小伙伴一起加入了刚刚成立的兰州大学本科生“藏鹰”科研创新团队,并在王育华教授指导下做一个创新创业项目。这个项目的任务在于针对现有等离子平板显示用发光材料Zn2SiO4:Mn2+具有长达20 ms余辉时间,不利于显示的缺点(会有“拖尾”效应),进行改性研究。在王育华教授的指导下,我们学习到,Mn2+具有较长余辉时间的根本原因在于发光中心的高对称性,因此要想缩短余辉时间,就需要破坏Zn2SiO4的这种高对称性。通过调研和思考,我很快选定了一个改性方案:就是用两种价态和离子半径都有显著差异的阳离子Ca2+和Zr4+来取代Zn2+的格位,从而形成一种具有晶体低对称性的新硅酸盐基质——Ca2ZrSi4O12:Mn2+。说干就干,我立刻投入到实验中,并很快得到了Ca2ZrSi4O12:Mn2+样品,然而测试结果却让我傻了眼:这个样品的余辉时间不仅没有缩短,反而从20ms提高了到30s。这还得了,这么长的余辉,岂不让电视剧变成慢动作了……

  当然,我小时候也读过爱迪生上千次失败换来成功的故事,也知道做科研并不是那么的简单,这点小挫折当然也阻止不了我对于成功的渴望。在接下来的一个月时间里,我天天泡在图书馆和资料室,查阅了大量相关的文献资料,参加了近10场组会讨论,终于有一天,我逐渐意识到晶体对称性的改变并不一定意味着发光中心的对称性改变。因此,我又想到了通过共掺稀土离子的办法。在接下去的三个月里,我把所有可能影响对Mn2+ 环境对称性的稀土离子都尝试了一遍,可结果还是不太理想,最好的样品余辉时间也大于3s,更别提缩小到毫秒(ms)级别了——不仅没有改进,连初始标准都相差甚远。

  这让我突然想到一个词:废物!哎,这次,我终于被击倒了,不断地动摇着,怀疑着,连睡觉都梦到脑子里全是浆糊,虽然粘连着自己的理想,可却是越搅越乱、越拉越远。可能我真的不适合这个我从小就热爱着的工作吧,或许我在做科研方面真的就是个废物,不管怎么努力,只能做出废物。我躲在被窝里流泪、失眠,最后竟然生病发起了高烧。当我醒来的时候,竟意外看到王育华教授在病床边亲切、关怀的眼神,不知为何看到王老师却让我更加无地自容,我现在也不记得了当时激动地说了什么,但我始终记得王教授给我讲的那个《变废为宝》的寓言故事和对我说的一番话:“小冯,你不是废物,你做的材料也不一定就是废物,材料的价值在于使用,记住:创新是变废为宝的金钥匙!”可当时我却不理解王教授的话,就这样,我昏昏噩噩的又过了一周,突然有一天,一个转到医学院的铁哥们告诉我他拿了奖学金要请我吃饭,我就奇怪了,我记得这货这货当初在我班上就是垫底啊,怎么会拿到奖学金呢?于是打电话问他什么个情况,他告诉我他当时不喜欢材料专业,但是对医学兴趣很大,所以选择了转专业,没想到转了专业以后如鱼得水,学的很嗨!这货还大发感慨,人没选对路,一辈子当废物!废物……废物……对呀!材料和人岂不是一样,我做的这个材料既然不适合做显示材料,那就不让它做显示材料好了!能不能利用好它余辉长的特点呢?真是梦醒一般的领悟,仿佛在悬崖边抓到了一棵救命稻草,我抹干眼泪,振奋精神,跳下病床,又把自己埋到了资料室中,经过大量的文献调研,我逐渐意识到余辉时间长也是有使用价值的,既然我不擅长缩短材料的余辉时间,那何不干脆延长余辉时间呢?嘿嘿,是金子总会发光!我不光让它有余辉,我还要延长它的余辉,并且余辉强度更亮!考虑到之前的实验中,掺杂离子能缩短余辉时间,因此我逆向思维,那我就干脆什么离子都不掺入,同时考虑到氧空位在材料余辉性能中的独特作用,我设计了一套真空高温烧结非掺杂Ca2ZrSi4O12基质材料的方案。这次,我终于做到了,得到的Ca2ZrSi4O12材料的余辉时间长达五个多小时,更重要的是,由于有大量深陷阱的存在,当余辉释放完后,还有部分能量能存储在材料中(也即光存储特性)。因此,我们惊喜地发现这种材料不仅具有夜光标记的功能,还可以用来制作隐形军用保密地图——这种地图需要用红外激光激发,而且看完即失效,即便敌人捡到地图也看不到任何信息。

  根据以上结果,我们在王教授的指导下首次提出了“隐形保密地图”概念,相关结果在夜光标记和光存储高密度存储方面的其他应用,还让我以本科生为作者在MCP等著名SCI二区期刊发表论文5篇,并参加全国挑战杯大学生科技竞赛获得赛区一等奖一项,以及全国创新累进银奖(全国仅36支队伍获奖)。

  “孤帆远影碧空尽,唯见长江天际流。”是的,在王育华教授创新思想指导下,我确实取得了一些成绩,但我相信这不是终点,因为我相信,创新没有终点,把握了创新,我们就真正把握了“变废为宝”的金钥匙。

 

文:
图:
编辑:法伊莎
来源: 物理科学与技术学院
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