薛欣宇：徜徉在納米科技前沿

本刊記者　徐芳芳

薛欣宇：徜徉在納米科技前沿

本刊記者徐芳芳

上世紀90年代初，納米科技作為一種新興科技迅速發(fā)展起來。隨后的20年間，納米技術(shù)成了世界各國搶占科技領域的戰(zhàn)略新高地?！拔乙恢倍紝ξ锢韺W挺感興趣的，后來博士時期就選擇了納米物理與器件作為研究方向?，F(xiàn)在納米能源具有巨大的發(fā)展前景，我也希望能通過自己的智慧和力量得到新的成果。”談起自己的研究領域，東北大學理學院物理系教授薛欣宇表現(xiàn)出極大的信心。

自充電電池——將納米能源轉(zhuǎn)化和存儲合二為一

2005年，為了解決納米器件的供電問題，中國科學院外籍院士王中林開始研究納米發(fā)電機，一年后實驗成功，并在《科學》雜志上發(fā)表。這個成果被認為是納米科技發(fā)展中“從單個器件飛躍到陣列器件的里程碑”。2011年，作為訪問學者，薛欣宇來到了美國佐治亞理工學院材料系王中林課題組學習研究。

“也是從那時起我接觸到了納米發(fā)電機和自供電系統(tǒng)，然后就開始考慮我應該從事什么方向。”薛欣宇說到：“當時我在國內(nèi)主要是做電池和傳感器研究，而自供電系統(tǒng)存在儲電方面的問題，正好我可以設計一種新的電池，把納米發(fā)電機獲取的能量儲存起來，然后再給其他功能器件供電，這樣就方便多了。所以我就考慮做這兩者的交叉研究?！?/p>

能量轉(zhuǎn)化技術(shù)和能量儲存技術(shù)是解決能源問題的兩大最核心技術(shù)。以往，這兩大技術(shù)是基于分立的器件單元和不同的途徑來實現(xiàn)的，多個能量單元簡單連接在一起成為供電系統(tǒng)，能量在“轉(zhuǎn)化—傳輸—存儲”過程中會有一定的損耗，且集成供電系統(tǒng)體積較大、便攜性不高。

針對這些因素，利用王中林課題組已有的壓電效應、發(fā)電機等較為成熟的工藝，薛欣宇在自己選擇的方向潛心研究，最終于2012年研發(fā)出新型的“自充電電池”：單一器件同時具有能量轉(zhuǎn)化和能量存儲的功能，通過新的“壓電—電化學過程”把機械能直接轉(zhuǎn)化為化學能存儲在電池中，減少了這一過程中的能量損耗。該新型電池不需要外接電源充電，而是利用人類行走、肢體活動或機器振動等方式就可自充電，為個人便攜電子系統(tǒng)和自供電系統(tǒng)提供了一種新的能量源。這一成果被英國物理學會的Physics World評為2012年度世界十大物理學突破，得到了中國科學報和CNN等國內(nèi)外媒體的報道。

薛欣宇開發(fā)的自充電電池第一代原型器件結(jié)構(gòu)分為電極、壓電隔膜、外殼和電解質(zhì)四部分。其工作機制，即壓電—電化學過程為：當器件受壓力作用時，壓電隔膜形變產(chǎn)生壓電電場，驅(qū)動電解質(zhì)中的鋰離子從正極向負極移動，使得正、負極材料表面處的化學平衡被打破，分別發(fā)生脫、嵌鋰，從而完成一次充電過程。

回國之后，薛欣宇繼續(xù)對自充電電池開展研究，2013年，他在第一個部件“電極”方面研發(fā)了新型的壓電電極，提高了器件性能；2014年，在第二個部件“隔膜”方面研發(fā)了新型的介孔壓電隔膜，提高了器件性能；2015年，在第三個部件“外殼”方面研發(fā)了柔性器件外殼，減少了機械能的損耗，提高了自充電效率。

自供電氣敏傳感器——新領域下的深入探索

盡管在美國佐治亞理工學院的學習時間不長，但對薛欣宇的影響卻非常大。“科研層面的收獲自是不必說，更多的是感受到價值觀層面的改變。王老師（王中林院士）對待科研的態(tài)度讓我感覺到我們的工作還是挺有意義的，可以為國家、為人類做貢獻，所以現(xiàn)在科研對我而言不僅是興趣使然，而且看得更加重要了?！毖π烙畋硎?，對目前的研究方向他也更加有信心和動力了。

在研發(fā)出新型自充電電池之后，他還首次將小尺寸壓電材料的壓電輸出與外界環(huán)境探測相耦合實現(xiàn)了自供電氣敏傳感器，壓電—氣敏傳感過程首次提出并證明了表面化學狀態(tài)可以調(diào)控壓電效應。這一新器件的壓電信號既當作驅(qū)動器件的電源，也可看作傳感信號，器件可完全脫離外界電源供電或電池，提高了便攜性，可更加方便靈活的使用。同時，自供電氣敏傳感器的靈敏度也高于傳統(tǒng)器件，關(guān)鍵實現(xiàn)了室溫氣氛探測，也具有更高靈活性和快速提取數(shù)據(jù)的特點，為氣敏/生物化學傳感開辟了一個新的發(fā)展方向，具有一定的應用前景。

“自供電氣敏傳感器”這一創(chuàng)新成果，同時也被選入2013年英國物理學會論文精選集（IOP SELECT），并得到《Nature Photonics》和《Nanotechno logy》的編輯Anna Demming博士的專門撰文介紹，其題目為“納米尺度的多功能化”。

之后，薛欣宇又繼續(xù)深入研究了自供電氣敏傳感器及其壓電—氣敏傳感過程，探索了提高器件性能的幾個發(fā)展方向：如表面修飾、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)、催化劑修飾、生物蛋白吸附、紫外光輔助、摻雜、改進器件結(jié)構(gòu)和制備原位器件等。在這一過程中，壓電—氣敏傳感的理論機制逐步得到了完善，并建立了相對準確的物理模型。

結(jié)合自充電電池和氣敏傳感器的工作，他還發(fā)現(xiàn)小尺寸下的壓電效應和表面效應存在一個交點即“表面”，二者之間的耦合作用可以誕生新的物理化學現(xiàn)象。“通過自充電電池我發(fā)現(xiàn)壓電效應可以影響材料的表面狀態(tài)，而通過自供電氣敏傳感器研究則發(fā)現(xiàn)表面狀態(tài)也可以反過來影響壓電效應，即不同的表面狀態(tài)具有不同的壓電效應?！毖π烙罱榻B。由此，他提出了新的“壓電—表面耦合效應”，并在這一新領域研究新的物理化學現(xiàn)象，并開發(fā)新應用系統(tǒng)，揭示其蘊含的物理化學本質(zhì)，使其成為凝聚態(tài)物理、材料學和納米技術(shù)等領域的新學科發(fā)展點。

而身兼教學和科研雙重任務的薛欣宇，在承擔大量課題的同時還積極探索改革教學模式，致力于培養(yǎng)高水平的拔尖創(chuàng)新人才。而他的科研團隊也同樣受益于此，不僅擁有教授、講師、博士以及碩士研究生，同時還有本科生。

2013年，在東北大學理學院物理系的全力支持下，薛欣宇依托納米物理課題組成立了面向本科生的“微電子物理”創(chuàng)新實驗班，在課余時間和假期進行集中培養(yǎng)。很多學生在大二、大三時期就有機會到他的實驗室做一些創(chuàng)新實驗。“在本科時期就培養(yǎng)他們做一些科研工作，現(xiàn)在有很多人都取得了不錯的成果?！毖π烙罱榻B，“而且他們畢業(yè)以后方向都不錯，本科生能取得這些成績我覺得還是挺欣慰的?！苯鼉赡?，已經(jīng)有7名本科生以第一作者發(fā)表了SCI論文，其中一篇論文影響因子達到了7.3。

“我做的工作幾乎都是交叉和融合，現(xiàn)在，尤其是納米領域，我覺得交叉融合是一個必然趨勢，可能在更深層上有新機制出現(xiàn)，而且會有一些新的特性出現(xiàn)，所以我覺得這是一個非常好的科研方向?！毖π烙钫f道，“我希望在這個領域能有一些新的發(fā)現(xiàn)，探索是否還有新的壓電—表面耦合效應引起的、宏觀還沒有發(fā)現(xiàn)的新物理現(xiàn)象，并且探索其應用前景?！毖π烙畋硎?，這也是目前他的團隊重要的研究方向之一。帶著這樣一支朝氣蓬勃的團隊走在納米科技前沿，薛欣宇對未來的發(fā)展充滿了希望。