志在制備出世界最長的碳納米管
——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）, 《美國化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）等國際頂級(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?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、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)異的成績從中國石油大學(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。看到別人在實(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)出一種簡單但有效的測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，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，然后利用超長碳納米管漂浮生長的特點(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，簡單高效，大大提高了碳納米管的結(jié)構(gòu)表征、性能測量以及器件構(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)行測量。這種測量一般需要精度達(dá)到納米級(jí)的專業(yè)設(shè)備。可是張如范所在的實(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度，使其達(dá)到米級(jí)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(gè)世界性的難題。自從2010年魏飛教授帶領(lǐng)的研究組在國際上首次制備出20厘米長的碳納米管后，在此后3年的時(shí)間里，國際上再也沒有任何新的進(jìn)展。張如范在從事超長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碳納米管生長的模型。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，成功制備出單根長度達(dá)到半米長的碳納米管，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(huì)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(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。”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)候是非常枯燥甚至坎坷的。在實(shí)驗(yàn)遇到瓶頸的階段，他往往會(huì)賦詩一首，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。
來年若長無限度，
可做天梯上天庭。
張如范用自己的這首詩來表達(dá)他的夢想，“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)初的芽兒，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：
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)長度碳納米管力學(xué)測量等前沿課題可以通過簡單儀器實(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。
