志在制備出世界最長(zhǎng)的碳納米管
——記清華大學(xué)化工系2009級(jí)博士生張如范
研通社記者 陶一萍 張旭 新聞中心記者 范麗
張如范,，清華大學(xué)化學(xué)工程系直博四年級(jí)學(xué)生，師從魏飛教授,。在攻讀博士期間,，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和與科研團(tuán)隊(duì)其他科研人員的通力協(xié)作下張如范成功制備出世界上最長(zhǎng)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(rùn)滑現(xiàn)象,。目前以第一作者身份發(fā)表SCI論文5篇，其成果相繼發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）, 《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）, 《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）等國(guó)際頂級(jí)專業(yè)期刊上，申請(qǐng)6項(xiàng)專利,，參與撰寫兩部專著,。曾獲2011年能源與環(huán)境新型納米材料國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、第13屆納米管科學(xué)與應(yīng)用國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng),、巴斯夫亞太地區(qū)科技論壇最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、2012年教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng),、研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金,、金涌獎(jiǎng)學(xué)金、巴斯夫優(yōu)秀博士生特等獎(jiǎng),、清華大學(xué)第304期及第330期博士生論壇優(yōu)秀報(bào)告等,。其科研成果曾被中央電視臺(tái)、北京電視臺(tái),、《人民日?qǐng)?bào)》,、《科技日?qǐng)?bào)》、《北京日?qǐng)?bào)》,、《大公報(bào)》等多家媒體報(bào)道,。
圖為張如范在實(shí)驗(yàn)中。
張如范從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開始接觸納米研究前沿課題,，到為解決這些課題歷經(jīng)重重挑戰(zhàn),，再到屢創(chuàng)佳績(jī)?nèi)〉美劾鄞T果，他是如何破繭成蝶,、在科研之路上嶄露頭角的,？
提到清華工科男，難免不少人會(huì)先入為主,，覺得張如范是一位整日埋頭實(shí)驗(yàn),、敏于行而訥于言的工科男生。但在采訪過程中,，張如范的開朗健談與詩(shī)詞才情給筆者留下了深刻印象,。他不僅有著工科男的沉穩(wěn)與踏實(shí)，也有著對(duì)文藝的追求與情懷,。勤奮,、巧思、善于總結(jié),，以及對(duì)科研的樂觀和激情都是他取得成功的重要因素,。一個(gè)多小時(shí)的采訪，他娓娓道來,，生動(dòng)展示了他的科研與生活,。
天道酬勤，“柳暗花明”破瓶頸
2005年張如范考入中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院。在本科期間,，他勤奮學(xué)習(xí),，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，并一直保持樂觀的心態(tài),，努力培養(yǎng)對(duì)新事物的興趣,；曾任班長(zhǎng)、化學(xué)愛好者協(xié)會(huì)副主席,，學(xué)生記者等職務(wù),，從社會(huì)工作中得到許多收獲。
2009年,，張如范以優(yōu)異的成績(jī)從中國(guó)石油大學(xué)（北京）保送到清華大學(xué)化工系,。當(dāng)年3月份，他提前來到清華做本科畢業(yè)設(shè)計(jì),，跟隨魏飛老師做超長(zhǎng)碳納米管制備與性質(zhì)方面的研究,。從本科學(xué)石油化工，突然轉(zhuǎn)到完全陌生的納米領(lǐng)域,，面臨的困難可想而知,。張如范沒有退縮，從硬著頭皮啃英文文獻(xiàn)開始起步,。
接觸課題的前兩個(gè)月,，盡管張如范“折騰”得十分辛苦，但什么成果也沒得到,?？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,。天生樂觀的他并沒有因此放棄,，而是繼續(xù)在這個(gè)課題上努力。由于課題本身難度較高,，在日復(fù)一日的實(shí)驗(yàn)中,，張如范依然進(jìn)展緩慢。
圖為張如范在實(shí)驗(yàn)中,。
天道酬勤,。在一次實(shí)驗(yàn)中，他偶然發(fā)現(xiàn)了一種實(shí)現(xiàn)碳納米管光學(xué)可視化的方法,。前面連續(xù)兩個(gè)月失敗的經(jīng)歷讓他敏感地意識(shí)到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義,，他很快利用這種現(xiàn)象設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單但有效的測(cè)量單根碳納米管力學(xué)性質(zhì)的方法。為了盡快完成這項(xiàng)工作,，在清華園的第一個(gè)寒假他就放棄了回家過年的機(jī)會(huì),，大年初一還堅(jiān)持在實(shí)驗(yàn)室處理數(shù)據(jù),。功夫不負(fù)有心人，來到清華的第二年,，他的第一篇論文就發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)專業(yè)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上,。
從此，張如范的科研激情一發(fā)不可收拾,。清華求學(xué)四載,，他曾連續(xù)兩年春節(jié)都在實(shí)驗(yàn)室度過。
在與北京大學(xué)進(jìn)行合作的過程中,，由于對(duì)方實(shí)驗(yàn)室電子顯微鏡使用時(shí)間的限制,，張如范只能在晚上其他人都下班后才有機(jī)會(huì)使用。曾經(jīng)長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的時(shí)間里,，他經(jīng)常從晚上八點(diǎn)開始做實(shí)驗(yàn)，一直做到早上八點(diǎn),。談及這段經(jīng)歷,，張如范說，條件有限,、實(shí)驗(yàn)不順,、遇到困難甚至迷惘、困惑等經(jīng)歷都是奮斗路上所必需的,，對(duì)于年輕人的成長(zhǎng)是一件好事,。正如導(dǎo)師魏飛老師所言，要想真正做出點(diǎn)成績(jī),，必須要經(jīng)歷一個(gè)磨練心智的過程,，只有這樣你才能真正意識(shí)到困難和問題之所在，才能夠真正沉得住氣,，深入進(jìn)來,。
經(jīng)歷過無數(shù)次的挫折之后，他開始明白科研是一個(gè)需要靜下心來,、不斷思考,、迂回前進(jìn)的過程。
匠心獨(dú)運(yùn),，“山寨方法”克難關(guān)
張如范的巧思,，用他的話說就是“胡思亂想”。正是這種天馬行空的想象,，善于在思考中創(chuàng)造新方法,，成為他取勝的“法寶”之一。面對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件,，他不拘常規(guī),，大膽嘗試，敢于創(chuàng)造和運(yùn)用各種 “山寨”的方法來解決設(shè)備缺乏的困難。
碳納米管的研究是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域,，需要綜合運(yùn)用多種儀器設(shè)備對(duì)其性能進(jìn)行表征,。然而張如范所在的實(shí)驗(yàn)室很多條件都不具備。面對(duì)這些困難,，他雖然也會(huì)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(dòng)性，利用現(xiàn)有條件,，巧妙改造,，自制設(shè)備進(jìn)行研究。
比如,，為了擺脫電子顯微鏡對(duì)碳納米管表征的限制,，張如范匠心獨(dú)運(yùn)，巧妙構(gòu)思,，提出了一種實(shí)現(xiàn)碳納米管光學(xué)可視化的方法,，通過常規(guī)光學(xué)顯微鏡就可以對(duì)單根的碳納米管進(jìn)行表征，并解決了研究過程中的一個(gè)個(gè)難題,。他首先制備了一種帶有微槽的硅片基底,，然后利用超長(zhǎng)碳納米管漂浮生長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其懸空在凹槽上面,，然后在這些懸空的碳納米管上負(fù)載大量二氧化鈦納米顆粒,。由于這些顆粒對(duì)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,，并可進(jìn)行后續(xù)操縱,。該方法不需要任何復(fù)雜設(shè)備，只需要幾秒鐘就可完成,，簡(jiǎn)單高效,，大大提高了碳納米管的結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)量以及器件構(gòu)建效率,。這項(xiàng)工作的文章發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上后,，其獨(dú)特的構(gòu)思和巧妙的設(shè)計(jì)得到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。
研究碳納米管的力學(xué)特性,，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(cè)量,。這種測(cè)量一般需要精度達(dá)到納米級(jí)的專業(yè)設(shè)備?？墒菑埲绶端诘膶?shí)驗(yàn)室并沒有這方面的設(shè)備,，怎么辦？
面對(duì)這種困難,，張如范并沒有一籌莫展,。在不斷思索解決方案的過程中,，靈感再次光顧了這個(gè)勤奮的研究者。張如范的奇思妙想又來了,，他利用一根毛細(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(jì)算其受力大小,，從而測(cè)量出它們的力學(xué)性質(zhì)。
為了能夠順利實(shí)現(xiàn)“吹氣”法,，首先需要使碳納米管生長(zhǎng)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,。而實(shí)現(xiàn)“吹氣”法需要的溝槽寬度和深度都很高,，制作這樣的一個(gè)溝槽成本接近萬(wàn)元。為了能夠降低成本,，張如范逆向思考：既然微加工方法如此之貴,，何不將三塊硅片拼接在一起，形成一個(gè)溝槽,？然而，這種粘接硅片的方法卻面臨一個(gè)關(guān)鍵的難題：缺少一種能夠耐受1000oC高溫并且不影響碳納米管生長(zhǎng)的粘合劑,。為了找到合適的粘合劑,，張如范進(jìn)行了大量的嘗試，然而無一例外都以失敗告終,。突然有一天,，他靈光一現(xiàn)，心想：為何不用簡(jiǎn)單的金屬箔片去嘗試呢,？他用實(shí)驗(yàn)室常見的鋁箔進(jìn)行試驗(yàn),。將小片鋁箔放在兩個(gè)硅片之間，然后在高溫下將鋁箔熔化,，將兩塊硅片粘附在一起,，冷卻后鋁箔從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，就可以將所粘附的硅片牢牢固定住,，從而完美地固定三塊硅片從而構(gòu)成溝槽,。這樣一來將加工成本幾乎降為零。
這個(gè)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(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)站Nanowerk兩個(gè)著名網(wǎng)站評(píng)為亮點(diǎn)文章,。張如范說,，“這是一個(gè)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和念頭。‘君子性非異也,，善假于物也’,，也正是這個(gè)道理。”
善于積累,，“垃圾數(shù)據(jù)”廢變寶
善于和熱愛總結(jié)積累是張如范科研工作的另外一個(gè)法寶,。每一本厚厚的科研筆記和科研箴言都是值得挖掘的寶藏，這些總結(jié)和積累更是他日后很多重大成果的基石,。張如范翻出一本本厚厚的《科研工作記錄》,，扉頁(yè)上用蒼勁挺拔的字體寫道“敬業(yè)者，專心致志以事其業(yè)也”,。密密麻麻,，記載著他多來的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和心路歷程。紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù),，及時(shí)更新的進(jìn)度,，還有自己的苦悶、靈感都包含其中,。
張如范一個(gè)重要的研究方向是如何提高碳納米管的長(zhǎng)度,，使其達(dá)到米級(jí)甚至更長(zhǎng)，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(gè)世界性的難題。自從2010年魏飛教授帶領(lǐng)的研究組在國(guó)際上首次制備出20厘米長(zhǎng)的碳納米管后,，在此后3年的時(shí)間里,，國(guó)際上再也沒有任何新的進(jìn)展。張如范在從事超長(zhǎng)碳納米管制備的過程中,，經(jīng)常會(huì)遇到碳納米管停止生長(zhǎng)的情況,。多次失敗后，他常常習(xí)慣把以往所有的實(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,。
一次次，最終他從那些看似雜亂無章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了相互間的必然聯(lián)系,。由此建立了一種能成功描述超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)的模型,。而在此理論模型下，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,。也正是靠了這種機(jī)理模型的指導(dǎo)，張如范在超長(zhǎng)碳納米管的制備過程中緊緊抓住其核心要素,，經(jīng)過3年的努力,，成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米長(zhǎng)的碳納米管,，這是目前世界上最長(zhǎng)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(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）上后,，引起了廣泛關(guān)注。美國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)（Nanowerk）,、中央電視臺(tái),、人民日?qǐng)?bào)等多家主流媒體都做了報(bào)道。
“這項(xiàng)工作做出的那一刻,，我非常激動(dòng),。三年多的時(shí)間里，我常常為得到大量無用的數(shù)據(jù)而郁悶,，然而通過這一模型的轉(zhuǎn)化,，以前所有的數(shù)據(jù)都‘化腐朽為神奇’、‘變廢為寶’,，最終都能派上用場(chǎng),。”說到那時(shí)的興奮和感慨，張如范仍激動(dòng)不已,。
張如范對(duì)科研有著非同尋常的激情和樂觀態(tài)度,。他的科研過程并非一帆風(fēng)順，很多時(shí)候是非?？菰锷踔量部赖?。在實(shí)驗(yàn)遇到瓶頸的階段，他往往會(huì)賦詩(shī)一首,，抒發(fā)煩悶，寄情于文字之間,。
蘇幕遮—科研小生記事
讀文獻(xiàn),，做實(shí)驗(yàn)，夜以繼日,，雙頰灑熱汗,。暫將此身獻(xiàn)科研，學(xué)海無涯,，長(zhǎng)途路漫漫,。
常失敗，淡然看,，苦中有樂,，悲喜何須念。磨劍尚需待十年,，這才幾時(shí),，繼續(xù)埋頭干,！
這首詞是張如范在一個(gè)夜深人靜的小樹林里作的。那時(shí)候他經(jīng)常通宵達(dá)旦地做實(shí)驗(yàn),，即使這樣,，在長(zhǎng)達(dá)半年的時(shí)間里卻依然沒有任何進(jìn)展。其內(nèi)心的苦悶可想而知,。但是他并沒有氣餒,，經(jīng)常會(huì)到實(shí)驗(yàn)室附近的小樹林里去散心，去反思前因后果,。有時(shí)靈機(jī)一動(dòng),、茅塞頓開，“柳暗花明又一村”,。
衣寬不悔,，“太空天梯”鴻鵠志
莫看小管輕如鴻，
韌性超強(qiáng)勝弩弓,。
來年若長(zhǎng)無限度,，
可做天梯上天庭。
張如范用自己的這首詩(shī)來表達(dá)他的夢(mèng)想,，“希望能制備出了米級(jí)甚至公里級(jí)以上的碳納米管,，為超強(qiáng)纖維以及太空天梯的制備開啟一線曙光。”面對(duì)這個(gè)高難度的前沿課題,，張如范從最初的恐懼,，到坦然接受，再到如今漸入佳境,、享受探索的過程,，是連續(xù)兩年春節(jié)留校攻克實(shí)驗(yàn)的付出，也是無數(shù)次通宵達(dá)旦做實(shí)驗(yàn)的積累,，更是面對(duì)有限的客觀條件篤定不放棄的凝聚,。
在采訪過程中，張如范對(duì)自己的導(dǎo)師魏飛教授表達(dá)了深深的敬佩和感謝之情,，“魏老師是我遇到的對(duì)我影響最大的人,，其為人為學(xué)，都堪為楷模,。跟著魏老師,，自己的眼界、心胸等各方面都得到極大的開闊,。”同時(shí),，他也對(duì)實(shí)驗(yàn)室的其他老師和同學(xué)表達(dá)了感激之情，“離開大家的合作,，我也很難取得這些成果”,。
談到科研經(jīng)歷,，張如范也很樂意將自己的心得與大家分享。他認(rèn)為勤奮工作和善于思考都很關(guān)鍵,。“既要埋頭拉車,，也要抬頭看路。勤奮的雙腳要踏在正確的方向上,。”另外,，需要有敢于挑戰(zhàn)困難的勇氣，還需要保持樂觀的心態(tài),，“科研其實(shí)挺苦的,，需要耐得住寂寞。即使在最失落的時(shí)候,，也要相信自己經(jīng)過努力能夠看得到希望,。”
“成功的花，人們只驚羨它現(xiàn)時(shí)的明艷,！然而它當(dāng)初的芽?jī)?，浸透了奮斗的淚泉，灑遍了犧牲的血雨,。”張如范一步步走來,，在歷練中不斷奮進(jìn)，極佳地詮釋了此中深意,。
導(dǎo)師魏飛教授評(píng)語(yǔ)：
從張如范同學(xué)身上,，我感到了作為導(dǎo)師與富有活力和創(chuàng)造性的學(xué)生共同研究的快樂與驚喜，這不僅表現(xiàn)在他投入科研的熱情,、許多個(gè)通宵工作的拼命精神及創(chuàng)造性,、使宏觀尺度上納米顯示這一技術(shù)難題很快解決、并使毫米級(jí)長(zhǎng)度碳納米管力學(xué)測(cè)量等前沿課題可以通過簡(jiǎn)單儀器實(shí)現(xiàn),，還表現(xiàn)在他對(duì)前沿基礎(chǔ)問題持之以恒的努力與奮斗,。出身于工科專業(yè)，對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題的專注是出成績(jī)的關(guān)鍵,，而實(shí)現(xiàn)這些成果的過程則是充滿著艱辛與曲折。經(jīng)歷這一過程,，并有持續(xù)科研的能力才是做好科研的第一步,。希望如范同學(xué)以此為起點(diǎn)，做高起點(diǎn)與質(zhì)量的工作,，在納米科技這一前沿領(lǐng)域有清華工科的聲音,。
