扎根熱電探索 心系祖國(guó)能源

孫雅琴

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。我國(guó)擁有著世界第二大能源系統(tǒng)，但同時(shí)也有著龐大的人口，能源供需正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，常規(guī)能源資源僅占世界總量的10.7%，人均能源資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，世界能源短缺和枯竭已經(jīng)成為每個(gè)國(guó)家不容忽視的問(wèn)題，嚴(yán)重制約著社會(huì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。在這一背景下，全球各國(guó)對(duì)新型環(huán)保能源替代材料的重視度不斷提升。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。熱電材料的應(yīng)用不需要使用傳動(dòng)部件，工作時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)排棄物，和太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等二次能源的應(yīng)用一樣，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，并且這種材料性能可靠、使用壽命長(zhǎng)，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)境友好材料。幾十年來(lái)，各國(guó)科研工作者在熱電材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，做出了諸多開(kāi)拓性探索，而這其中更不乏中國(guó)科學(xué)家的身影。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員趙懷周及其科研團(tuán)隊(duì)就是其中的優(yōu)秀代表。

瞄準(zhǔn)我國(guó)的能源現(xiàn)狀，趙懷周長(zhǎng)期從事熱電材料、熱電輸運(yùn)新機(jī)制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究。他和研究團(tuán)隊(duì)將基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，服務(wù)于祖國(guó)的工業(yè)發(fā)展及人民生活。在打通相關(guān)材料與器件產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的道路上，他們孜孜不倦，求索不輟，力求用科研成果為我國(guó)社會(huì)及能源發(fā)展注入新的動(dòng)力。

遠(yuǎn)渡重洋，汲取先進(jìn)科研思想

21世紀(jì)初，我國(guó)的科學(xué)研究事業(yè)發(fā)展得如火如荼。當(dāng)時(shí)為了能夠接受到更多先進(jìn)的科研思想，很多青年學(xué)子決心走出國(guó)門(mén)，開(kāi)闊自己的研究視野。彼時(shí)的趙懷周剛從中國(guó)科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，便懷著接受國(guó)外先進(jìn)科研思想的決心，漂洋過(guò)海，來(lái)到了美國(guó)波士頓學(xué)院物理系從事博士后研究工作。

在那里，趙懷周師從任志鋒教授開(kāi)展科研工作。“任教授對(duì)于納米科技、化學(xué)、生物傳感器和新能源方面的研究都有著充足的經(jīng)驗(yàn)，在研究中他也會(huì)根據(jù)每位學(xué)生的研究?jī)?yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，讓學(xué)生充分發(fā)揮自身的潛能開(kāi)展研究工作。”趙懷周說(shuō)。

在任志鋒教授的課題組中，匯集了來(lái)自美國(guó)、印度、尼泊爾等國(guó)的科研工作者。沉浸在各國(guó)研究學(xué)者互相交流、互相學(xué)習(xí)的氛圍中，趙懷周度過(guò)了一段難忘的科研之旅。博士后階段初期，趙懷周主要從事納米器件的相關(guān)研究工作，在任志鋒教授的引領(lǐng)下，他在相關(guān)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也取得了一些創(chuàng)新性科研成果。基于趙懷周先前在研究中所打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，任志鋒教授結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，建議其接觸一些熱電領(lǐng)域的研究工作。

“科研人深耕一個(gè)領(lǐng)域，往往需要10年或者更久才會(huì)有很大的成果積累?！币虼?，最初趙懷周在更換研究方向前，也有一些遲疑。但經(jīng)過(guò)反復(fù)衡量，他還是決定勇敢跳出“舒適區(qū)”，開(kāi)始在熱電材料領(lǐng)域開(kāi)展一段全新的旅程。通過(guò)在這一研究領(lǐng)域深耕，他愈加體會(huì)到了熱電材料研究的意義，并決心在這一方向中努力前行下去。

創(chuàng)新不倦，科研報(bào)效祖國(guó)

能源問(wèn)題是21世紀(jì)的重大課題。近十幾年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源需求之間的關(guān)系，越來(lái)越受到全社會(huì)的關(guān)注。在趙懷周看來(lái)，能源問(wèn)題無(wú)小事，相關(guān)能源材料的探索更是迫在眉睫。伴隨著越來(lái)越多的中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)投入到這一領(lǐng)域研究中，我國(guó)的熱電材料也在這十幾年的科研進(jìn)程中發(fā)展得如火如荼。

“雖然熱電材料在清潔能源里邊屬于一個(gè)小眾領(lǐng)域，但是中國(guó)的很多科研團(tuán)隊(duì)都做得非常有特色?！壁w懷周說(shuō)。正是在這一大背景下，從國(guó)外學(xué)成歸國(guó)的趙懷周開(kāi)始在自己的“母?！薄袊?guó)科學(xué)院物理研究所繼續(xù)開(kāi)展熱電材料、熱電輸運(yùn)新機(jī)制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究，以服務(wù)于祖國(guó)熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年中國(guó)熱電材料行業(yè)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及發(fā)展前景展望分析報(bào)告》，熱電材料在電子制冷、汽車尾氣處理、特殊電源、余熱發(fā)電、精密制冷器件等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。全球范圍內(nèi)，從事熱電材料研究和生產(chǎn)的企業(yè)有KELK、MELCOR、RMT等。而在中國(guó)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所則是最早研究半導(dǎo)體熱電材料的單位。從2014年回國(guó)到現(xiàn)在，趙懷周一直根據(jù)我國(guó)的能源發(fā)展及熱電材料應(yīng)用現(xiàn)狀，全神貫注地投身到科學(xué)研究之中，開(kāi)展了諸多創(chuàng)新性科研探索。

生活中有許多耗費(fèi)能源生成卻又被廢棄的熱能，例如汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等。如果能將這些熱能善加利用，即可再次成為可用能源。雖然熱電材料是一類可直接實(shí)現(xiàn)熱能與電能轉(zhuǎn)換的材料，在廢熱利用領(lǐng)域極具潛力，但是，現(xiàn)有熱電材料組裝的發(fā)電器件效率偏低，無(wú)法滿足能源利用需求，迫切需要變革性技術(shù)開(kāi)發(fā)出新概念熱電材料與器件，破解低品位熱能利用難題。“一般來(lái)說(shuō)，在工業(yè)生產(chǎn)中，300℃以下熱能很難進(jìn)行高效發(fā)電，如果能將這一區(qū)域內(nèi)的熱能進(jìn)行回收利用，對(duì)我國(guó)的能源發(fā)展是大有裨益的?！壁w懷周說(shuō)。

在這一背景下，趙懷周主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“基于激光誘導(dǎo)的低維異質(zhì)界面熱電薄膜的快速制備與性能調(diào)控”。在這一項(xiàng)目的支撐下，趙懷周和團(tuán)隊(duì)成員們將利用研究激光與熱電材料之間的吸收與能級(jí)匹配關(guān)系，發(fā)展激光誘導(dǎo)物理氣相沉積技術(shù)及相關(guān)工藝;研究工藝參數(shù)與高取向結(jié)構(gòu)調(diào)控的相關(guān)性;揭示激光能量密度、脈寬、重頻、波長(zhǎng)、加載時(shí)間等激光參數(shù)對(duì)薄膜非平衡態(tài)定向生長(zhǎng)的影響規(guī)律;構(gòu)建薄膜微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高性能熱電薄膜的快速制備。

“我們的目標(biāo)就是要把熱電器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到10%，雖然這一目標(biāo)從理論上講是可行的，但實(shí)際上要做到這一目標(biāo)尺寸，難度還是很大的，目前我們已經(jīng)可以將器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到8%、9%這樣一個(gè)水平，還在無(wú)限接近最終目標(biāo)?！壁w懷周說(shuō)。目前這一項(xiàng)目還在穩(wěn)步進(jìn)行中。

除此之外，趙懷周團(tuán)隊(duì)近期在基于新材料的下一代高性能熱電制冷模塊方面取得重要成果，文章很快被能源類頂級(jí)刊物Joule接受，編輯評(píng)價(jià)“We look for breakthrough research that has real-world energy impact and influence， and we feel there is a case here， particularly in view of the high performance and robust stability that you report（我們一直尋找在能源領(lǐng)域里具有現(xiàn)實(shí)影響力的突破性工作，這項(xiàng)工作就是一個(gè)范例，特別是在器件的高性能和穩(wěn)定性方面）”。

頂天立地，將科研成果落地生根

縱觀國(guó)際熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，中國(guó)的熱電材料技術(shù)研究，在全世界處于領(lǐng)先地位，國(guó)內(nèi)從事相關(guān)領(lǐng)域研究的科研工作者，也是世界上最多的。但在多年的研究探索中，一些“卡脖子”問(wèn)題至今還制約著我國(guó)在熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展?！霸跓犭娭评溥@個(gè)方向中，我們?cè)诟叨瞬牧虾推骷难邪l(fā)中還有極大的提升空間，以至于關(guān)鍵器件仍在受國(guó)外制約?！壁w懷周說(shuō)。

認(rèn)清形勢(shì)及我國(guó)在熱電材料領(lǐng)域所處的短板，才能更好地解決問(wèn)題。多年來(lái)在科研道路上摸爬滾打，趙懷周始終認(rèn)為科研技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化成果是研究的重要組成部分。在他看來(lái)，科學(xué)研究的頂天立地，不僅是能真正解決實(shí)際問(wèn)題，更要在科研的高度上進(jìn)行引領(lǐng)?！翱蒲谐晒丛跁?shū)架上要么就在貨架上?！壁w懷周真摯地說(shuō)。而他和研究團(tuán)隊(duì)一直致力的便是——用科研成果真正為社會(huì)謀福利。

北京的懷柔區(qū)，天高地廣、偏遠(yuǎn)安靜，在這里的科學(xué)城，趙懷周團(tuán)隊(duì)建立了600平方米的實(shí)驗(yàn)基地，在這個(gè)“夢(mèng)想中的實(shí)驗(yàn)室”里，趙懷周和科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始大展拳腳。

在這里，趙懷周團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)熱擠壓碲化鉍材料的試驗(yàn)樣機(jī)。“過(guò)去我們一直在研究這種被國(guó)外‘卡脖子’的新材料，但受限于以前的場(chǎng)地條件，一直沒(méi)制作出樣機(jī)?！壁w懷周坦言。自從搬到懷柔科學(xué)城的材料基因組平臺(tái)后，趙懷周的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)空間擴(kuò)大了好幾倍，設(shè)備也是量質(zhì)齊飛，加速了科研成果產(chǎn)出。

在趙懷周的介紹下，記者了解到：熱擠壓碲化鉍材料機(jī)械性能高于常規(guī)區(qū)熔法制備的碲化鉍，可以被切分得非常微小，因此是制作熱電微型芯片的重要材料。但過(guò)去，這種材料一直被國(guó)外壟斷。而自從趙懷周的團(tuán)隊(duì)“解鎖”了制作這種材料的新技術(shù)后，已經(jīng)有多家熱電芯片制作企業(yè)有意合作。

科研成果的產(chǎn)業(yè)化并不能一蹴而就，產(chǎn)業(yè)一線的形勢(shì)更需要實(shí)時(shí)跟進(jìn)。為了將科研成果更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，即使是假期，趙懷周和課題組的學(xué)生們也會(huì)分批輪休，早早回到場(chǎng)地，保證設(shè)備的順利運(yùn)行。在產(chǎn)業(yè)一線遇到一些技術(shù)問(wèn)題時(shí)，他們也會(huì)利用自己的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，幫助企業(yè)解決所遇到的技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)如今，趙懷周的科研團(tuán)隊(duì)正在和國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)在熱電制冷材料及制冷器件的開(kāi)發(fā)中展開(kāi)著友好合作。

堅(jiān)持奔跑，和團(tuán)隊(duì)一起協(xié)同攻關(guān)

科研的旅程坎坷常在。最初回國(guó)的兩年，趙懷周坦言自己也承受著很大的思想壓力。在他看來(lái)，科學(xué)研究是一場(chǎng)長(zhǎng)跑，克服困難的方式就是讓自己變強(qiáng)大。每當(dāng)自己被壓力裹挾，趙懷周總是會(huì)選擇用長(zhǎng)跑的方式，使自己的精神得到放松。如今這一習(xí)慣已經(jīng)堅(jiān)持了5年，每個(gè)星期他都會(huì)跑四五十公里。慢慢地，趙懷周的心態(tài)愈加平穩(wěn)，腳踏實(shí)地投身科研，也讓他在研究領(lǐng)域收獲了理想碩果。

如今，回首一路走過(guò)的科研歷程，趙懷周感慨頗多。在一系列科研成果的背后，趙懷周最感謝的就是自己的團(tuán)隊(duì)成員。作為課題組的帶頭人，趙懷周和李國(guó)棟副研究員、朱航天副研究員和鐘韌財(cái)務(wù)助理在團(tuán)隊(duì)中分工合作，目前課題組已經(jīng)發(fā)展到十幾位成員，并承擔(dān)了許多國(guó)家級(jí)的科研任務(wù)。在趙懷周看來(lái)，團(tuán)隊(duì)的科研成果正是大家團(tuán)結(jié)起來(lái)共同努力的結(jié)晶。

“沒(méi)有團(tuán)隊(duì)成員們互相幫助，很多科研問(wèn)題是無(wú)法解決的。而大家一起攻堅(jiān)克難，成果做得越好也就會(huì)有越來(lái)越多的資源往團(tuán)隊(duì)匯聚?！壁w懷周說(shuō)。在他看來(lái)，這就是一個(gè)正向的積累過(guò)程。

在此之前，趙懷周在美國(guó)求學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的logo是一個(gè)鸕鶿口中含著一只青蛙，正當(dāng)鸕鶿要把青蛙吞咽下去時(shí)，青蛙的兩只手抓住了鸕鶿的脖子。回國(guó)后，趙懷周也將這張圖片打印了下來(lái)，貼在了自己的實(shí)驗(yàn)室中，時(shí)刻警醒著自己，盡管有時(shí)科學(xué)研究的處境艱難，但永遠(yuǎn)不要放棄自己向前探索的希望，就像趙懷周的美國(guó)導(dǎo)師說(shuō)的一樣：“Anytime if I can push science one step further，I will do（任何時(shí)候只要我能夠?qū)⒖茖W(xué)往前推動(dòng)一點(diǎn)，我都會(huì)去做這個(gè)事情）?！睂?duì)于科學(xué)研究的熱愛(ài)及初心，趙懷周始終堅(jiān)定。如今，在實(shí)驗(yàn)室條件愈加完備的狀況下，他也希望自己的學(xué)生們能夠在這樣的科研環(huán)境中，發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，做出更多有意義的研究工作。

一直以來(lái)，趙懷周所心系的都是整個(gè)熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。他深知：我國(guó)的熱電材料領(lǐng)域與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的銜接舊存在著很大的短板，很多研究團(tuán)隊(duì)仍在國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)中仍難以尋找到切入點(diǎn)?？蒲兄?，趙懷周也會(huì)經(jīng)常召集一些領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究者，舉辦一些熱電材料相關(guān)的會(huì)議。除了能在會(huì)議上給予更多年輕學(xué)者嶄露頭角的機(jī)會(huì)，趙懷周還想借著組織會(huì)議的時(shí)機(jī)，鼓勵(lì)領(lǐng)域內(nèi)的研究工作者不要喪失信心，只要大家腳踏實(shí)地、協(xié)同突破，一定能打通科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用之間的通道。

對(duì)于未來(lái)，趙懷周及其研究團(tuán)隊(duì)仍舊使命在肩?！敖┠陙?lái)我們已經(jīng)在熱電材料領(lǐng)域，蹚出了一條屬于自己團(tuán)隊(duì)的特色研究道路。今后，我們還希望能夠繼續(xù)將研究聚焦在國(guó)家的‘卡脖子’技術(shù)問(wèn)題上，將研究做實(shí)?！壁w懷周說(shuō)。除此之外，在基礎(chǔ)研究方面，他們還將在中國(guó)科學(xué)院物理研究所這一平臺(tái)的支撐下，將研究繼續(xù)扎根，和產(chǎn)業(yè)界碰撞出更大的火花。

在科學(xué)研究的長(zhǎng)跑中，趙懷周及其研究團(tuán)隊(duì)健步如飛。