從“菜鳥”到特獎的成長之路
——記2013年清華大學(xué)研究生特等獎學(xué)金獲得者張如范
研通社記者 戴 傲
張如范,，清華大學(xué)化學(xué)工程系2009級直博生,，師從魏飛教授,。攻讀博士期間,，其所在團(tuán)隊成功制備出世界上最長的碳納米管,，實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管的光學(xué)可視化及宏觀尺度下的可控操縱,，首次發(fā)現(xiàn)了宏觀尺度碳納米管結(jié)構(gòu)超潤滑現(xiàn)象,。目前以第一作者身份發(fā)表SCI論文6篇，其成果相繼發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology）, 《自然-通訊》（Nature Communications）, 《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）, 《美國化學(xué)會納米》（ACS Nano）等國際頂級專業(yè)期刊上,，申請6項(xiàng)專利,，參與撰寫專著兩部。曾獲2013年中國納米科學(xué)與技術(shù)國際會議最佳墻報獎,，2011年能源與環(huán)境新型納米材料國際會議最佳墻報獎,、第13屆納米管科學(xué)與應(yīng)用國際會議最佳墻報獎、巴斯夫首屆亞太地區(qū)科技論壇最佳墻報獎,、2012年教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎,、2012年及2013年研究生國家獎學(xué)金、2012年金涌獎學(xué)金、2013年巴斯夫優(yōu)秀博士生特等獎,、2013年清華大學(xué)研究生特等獎學(xué)金等榮譽(yù),。
4年前，他從石油化工領(lǐng)域,，轉(zhuǎn)行到陌生的碳納米材料領(lǐng)域,；
4年間，他爭分奪秒,、匠心獨(dú)運(yùn),、變廢為寶，連續(xù)攻克世界級科研難題,；
4年后,，他見證了世界最長碳納米管在清華實(shí)驗(yàn)室的誕生。
大家都說他是“學(xué)霸”,，可他卻說：“其實(shí)我以前是個菜鳥,，而現(xiàn)在，也不過剛剛起飛,。”
——題記
追隨夢想 學(xué)不成名誓不還
與大多數(shù)人料想的特獎獲得者的高起點(diǎn)不同,，張如范早期的求學(xué)生涯歷經(jīng)坎坷。2004年,，他以3分之差和西安交通大學(xué)失之交臂,，在家長和老師的建議下，“心不甘情不愿”地去了第二志愿的院校,。
在那里,，他很苦悶，很彷徨,。一方面,，他內(nèi)心有著萬丈豪情，渴望做出“一番事業(yè)”,，而有限的學(xué)術(shù)空間卻讓他感覺與周圍格格不入,。“來到一個新環(huán)境，如果你不能接受它,，被它同化,，那你最終只會被它邊緣化”，張如范說道,。在掙扎了一年之后,，張如范雖然門門考試在院系本年級排第一，同時擔(dān)任院系內(nèi)重要的學(xué)生干部,，他還是毅然決然地做出一個旁人看來近乎“瘋狂”的決定——退學(xué),。
回憶起當(dāng)時的決定,，張如范說自己想得很簡單，“就是不想讓自己后悔,。”重新回到高中的張如范臥薪嘗膽,，備考之路雖然艱辛，但他充滿了干勁,，只是因?yàn)樾闹幸恢眻猿值哪莻€學(xué)術(shù)夢想,。回到學(xué)校的第二次考試,，他的成績便已攀升至年級第二名,。2005年，張如范通過高考,，順利考入中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院,。
對于這段經(jīng)歷，張如范總結(jié)成一句話：“一個人要敢于直面自己內(nèi)心的恐懼,，追隨自己心中的夢想,。”
靈活機(jī)變 無心插柳柳成蔭
2009年，張如范以優(yōu)異的成績從本科院校保送到清華大學(xué)化工系,。那年春季,，他提前來到清華做本科畢業(yè)設(shè)計，跟隨魏飛老師做超長碳納米管制備與性質(zhì)方面的研究,。當(dāng)時,，魏飛教授最初給張如范制定的“練手”課題是利用碳納米管掛載某種催化劑，研究其反應(yīng)機(jī)理,。然而,，這個課題對于之前從未接觸碳納米管相關(guān)知識的張如范而言簡直難于登天。盡管張如范“折騰”得十分辛苦,，但催化劑就是無法掛載到碳納米管上,，更別提研究反應(yīng)機(jī)理?？吹絼e人在實(shí)驗(yàn)方面突飛猛進(jìn),，他一度產(chǎn)生了很強(qiáng)的挫敗感。眼見3個月的畢設(shè)時間已過去大半,，他心急如焚。但天生樂觀的他并沒有因此放棄,，而是繼續(xù)在這個課題上努力,。
他決定先嘗試在碳納米管上掛載別的顆粒，摸清其中的原理,，再來做魏飛老師安排的課題,。據(jù)張如范自己回憶,，他大概累計試驗(yàn)了幾十種材料，每一種從設(shè)計到準(zhǔn)備再到操作,，都要花費(fèi)幾天的時間,。就在不斷反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)掛載Ti02顆粒的碳納米管,，由于顆粒對可見光有很強(qiáng)的散射能力,，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下單根碳納米管的可視化觀察。他敏感地意識到這一偶然發(fā)現(xiàn)背后的意義,，很快便利用這種現(xiàn)象設(shè)計出一種簡單但有效的測量單根碳納米管力學(xué)性質(zhì)的方法,。他的這一發(fā)現(xiàn)被魏飛老師評價為足以在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表，并最終發(fā)表在材料領(lǐng)域國際頂級專業(yè)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上,。
堅持積累 長風(fēng)破浪會有時
善于和熱愛總結(jié)積累,，是張如范科研工作的一個法寶。張如范說,，他平均每十天半個月,，便要總結(jié)反思自己這段時間的科研成果，對于自己的錯誤,、懶惰,、懈怠，認(rèn)真地進(jìn)行自我批判,。4年的科研路上,，他寫下的科研筆記和科研記錄已達(dá)十余本。對他而言,，這厚厚的每一本,，都是他值得挖掘的寶藏，這些總結(jié)和積累更是他日后很多重大成果的基石,。
圖為張如范部分科研筆記和科研記錄,。記者 范 麗 攝
張如范的一個主要研究方向是提高碳納米管的長度，使其達(dá)到米級甚至更長,，從而為超強(qiáng)纖維等材料的制備提供可供選擇的材料,。然而，這卻是一個世界性的難題,。在從事超長碳納米管制備的過程中,，他經(jīng)常會遇到碳納米管停止生長的情況。多次失敗后,，他常常習(xí)慣于把以往所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,，努力從中尋找蛛絲馬跡。
終于,，他從那些看似雜亂無章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了相互間的聯(lián)系,，并由此建立一種能成功描述超長碳納米管生長的模型,。在此理論模型下，以前所有的數(shù)據(jù),，哪怕是曾經(jīng)認(rèn)為的“垃圾數(shù)據(jù)”都能得到合理的解釋,。依據(jù)這種機(jī)理模型的指導(dǎo)，張如范歷經(jīng)3年鉆研,，終于成功制備出單根長度達(dá)到半米的碳納米管,，這是目前世界上最長的碳納米管，超過現(xiàn)有記錄的兩倍以上,。這項(xiàng)工作發(fā)表在《美國化學(xué)會納米》（ACS Nano）上后,，引起了廣泛關(guān)注。美國納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)（Nanowerk）,、中央電視臺,、人民日報等多家主流媒體都做了報道。
張如范認(rèn)為：“科研的進(jìn)步,，大多來自堅持和積累,。如果自己沒有一直堅持做超長碳納米管的制備，如果自己沒有長期積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，如果沒有這種對于科研事業(yè)百分百的付出,，不會有現(xiàn)在的研究成果。”
敢于創(chuàng)新 創(chuàng)造條件也要上
談及創(chuàng)新對于科研的重要性,，張如范有一個很生動的比喻,，“科研和做農(nóng)活不同，不是一味地埋頭苦干就可以出成果的,，堅持的同時,，更要注重方法。”碳納米管是一個跨專業(yè)的前沿領(lǐng)域,，涉及力學(xué),、化學(xué)、化工,、材料等多門科學(xué),，需要綜合運(yùn)用多種儀器設(shè)備對其性能進(jìn)行測量和表征。然而張如范所在的實(shí)驗(yàn)室是一個純化工實(shí)驗(yàn)室,，很多條件都不具備,。面對這些困難，他雖然也會到外單位尋求合作,，但更多的是充分發(fā)揮自己的主觀能動性,，利用現(xiàn)有條件，巧妙改造,，自制設(shè)備進(jìn)行研究,。
以研究碳納米管的力學(xué)特性為例，常規(guī)的做法是單根碳納米管固定在專門的力學(xué)儀器上進(jìn)行測量,。這種測量一般需要精度達(dá)到納米級的專業(yè)設(shè)備,。可是張如范所在的實(shí)驗(yàn)室并沒有這類設(shè)備,，怎么辦,？
張如范創(chuàng)新性地提出，利用一根毛細(xì)管從懸空碳納米管側(cè)面“吹氣”,，使其發(fā)生彎曲,，根據(jù)氣速大小、顆粒數(shù)量和粒徑以及碳納米管的彎曲程度來計算其受力大小,，從而測量出它們的力學(xué)性質(zhì),。但為了能夠順利實(shí)現(xiàn)“吹氣”法，首先需要使碳納米管生長在具有一定溝槽的硅片基底上,。而在硅片上刻槽的傳統(tǒng)方法是微加工工藝,，成本很高，制作一個符合實(shí)驗(yàn)要求的溝槽,，成本接近萬元,。為了能夠降低成本，張如范再次思考：既然微加工方法如此之貴,，何不將三塊硅片上下拼接在一起,，形成一個溝槽？然而,，這種粘接硅片的方法卻面臨一個關(guān)鍵的難題：沒有能夠耐受1000攝氏度實(shí)驗(yàn)高溫且不揮發(fā)不影響碳納米管生長的粘合劑,。張如范嘗試了大料有機(jī)和無機(jī)材料，都沒有成功,。突然有一天,，在和師姐聊天中，他靈光一現(xiàn),，心想：何不用金屬箔片作為粘合劑呢,？他將小片鋁箔放在硅片之間，然后在高溫下將鋁箔熔化,。冷卻之后,，鋁箔從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，就可以將所粘附的硅片牢牢固定住,，從而完美地做出實(shí)驗(yàn)所需的溝槽,，而且加工成本幾乎為零。
這一連串巧妙的創(chuàng)意在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表后相繼被自然出版集團(tuán)-亞洲材料（NPG Asia Materials）以及美國納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)站Nanowerk兩個著名網(wǎng)站評為亮點(diǎn)文章,。張如范說,，“這是一個看似很‘山寨’的方式,，但是背后卻蘊(yùn)含著很多巧妙的構(gòu)思。有句話叫做‘有條件要上,，沒有條件創(chuàng)造條件也要上’,，做研究就需要有這種闖勁。”
后記：王安石在《游褒禪山記》中提到：“而世之奇?zhèn)?、瑰怪,，非常之觀，常在于險遠(yuǎn),，而人之所罕至焉,，故非有志者不能至也。”張如范從自己口中的研究生“菜鳥”,，一步步走來,，成為同學(xué)們交口稱贊的研究生特等獎學(xué)金獲得者，完美地印證了此中深意,。
編輯：范 麗
