化學(xué)家的科研日常

張如范

北宋文學(xué)家王安石在《游褒禪山記》中曾用“夫夷以近，則游者眾；險以遠(yuǎn)，則至者少。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”來感嘆只有胸懷大志的人，才有可能實(shí)現(xiàn)理想。做科研也是如此！今天就讓我們走進(jìn)化學(xué)家的科研日常，去看看他們是如何戰(zhàn)勝困難，取得成就的吧！

做科研猶如啃硬骨頭

做科研猶如啃硬骨頭，只有在某個領(lǐng)域長期堅守和持續(xù)努力，才能取得優(yōu)異的成果。

在碳納米管領(lǐng)域存在幾個重大的難題，其中一個就是如何實(shí)現(xiàn)宏觀長度、結(jié)構(gòu)缺陷少、性能優(yōu)異的超長碳納米管（一維量子材料）的可控生長與批量制備，這也是實(shí)現(xiàn)碳納米管高端應(yīng)用的前提。

然而，多年來由于超長碳納米管生長機(jī)制不明、催化劑易失活等原因，超長碳納米管產(chǎn)率不僅十分有限，還嚴(yán)重影響了它的實(shí)際應(yīng)用。

2018年，我針對這一難題帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)。開始時，超長碳納米管的生長狀況非常不穩(wěn)定，得到的基本都是雜亂生長的短碳納米管，超長碳納米管的產(chǎn)率仍然很低。直到2021年的某一個深夜，我突然靈光一現(xiàn)——是否可以將飄浮的短碳納米管攔截起來，使其能夠平行排列后生長，從而實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)率的超長碳納米管制備？

我很快把想法投入了實(shí)踐，結(jié)果也正如我預(yù)想的一般。基底攔截導(dǎo)向策略，可以巧妙且有效地將原本無序生長、長度短?。ㄎ⒚准墸┑奶技{米管，轉(zhuǎn)變成平行排列、長度達(dá)到數(shù)厘米甚至數(shù)十厘米的超長碳納米管水平陣列，并成功實(shí)現(xiàn)了超長碳納米管水平陣列密度的大幅度提升。

最終，該成果發(fā)表在納米領(lǐng)域國際知名期刊《納米快報》（《Nano Letters》）上，這給我的團(tuán)隊(duì)帶來非常大的信心和鼓舞。

?基底攔截導(dǎo)向策略示意圖以及所制備的超長碳納米管圖片

給最黑的材料染上色 還能充當(dāng)“防火衣”

在碳納米管領(lǐng)域多年的堅守也同樣給我們帶來了許多意外之喜。一直以來，碳納米管存在兩個固有性能特性，這嚴(yán)重限制了其性能的提升和應(yīng)用范圍。

一是碳納米管被認(rèn)為是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度結(jié)晶性以及化學(xué)惰性，也無法利用常規(guī)方法對其進(jìn)行化學(xué)染色。碳納米管單調(diào)的黑色和難以著色的特性，使其難以滿足美學(xué)和時尚的要求，極大地限制了它們在柔性可穿戴設(shè)備、智能織物、功能涂層等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。

二是作為一種典型的碳材料，碳納米管在高溫有氧環(huán)境中容易燃燒，這嚴(yán)重限制了它們在飛行器外殼、武器裝備等眾多涉及高溫有氧環(huán)境中的應(yīng)用。

如何實(shí)現(xiàn)碳納米管的彩色化以及阻燃性能的提升是該領(lǐng)域一直尚未解決的難題，也是我一直以來的心愿。

在一次偶然的實(shí)驗(yàn)中，我們在碳納米管表面沉積了一層納米級厚度的氧化物薄膜，發(fā)現(xiàn)它竟然呈現(xiàn)出了絢麗的色彩！我們進(jìn)一步研究其機(jī)理，發(fā)現(xiàn)碳納米管呈現(xiàn)的彩色是由于表面的薄膜與光發(fā)生相互作用帶來的結(jié)構(gòu)色的效果（關(guān)于結(jié)構(gòu)色，可見《知識就是力量》2023年1月刊）。這種顏色產(chǎn)生的機(jī)理與陽光下的肥皂泡、水面上的油膜呈現(xiàn)彩色是類似的。

在后續(xù)的研究中，我們通過調(diào)整表面薄膜的厚度，得到了色彩豐富的碳納米管纖維，解決了“超黑材料”碳納米管的致色問題。而且，這種結(jié)構(gòu)色材料還能充當(dāng)“防火衣”，使得碳納米管纖維具有了非常優(yōu)異的阻燃性能。最終，該成果發(fā)表在國際頂級期刊《科學(xué)進(jìn)展》（《Science Advances》）上，并被評選為期刊特色論文。

有志者，事竟成

我經(jīng)常跟我的學(xué)生說，我們多是普通人，要想取得成功，就要多看、多聽、多學(xué)、多想。只有那些目標(biāo)堅定、意志堅強(qiáng)、做事執(zhí)著的人，才能取得最終的成功，正所謂“有志者，事竟成”，也正是這種信念支撐著我不斷克服困難，朝著一座座“高山”進(jìn)發(fā)。

作為一名博士生導(dǎo)師，如何正確引導(dǎo)學(xué)生，如何對學(xué)生進(jìn)行全方位的培養(yǎng)，是我一直在思考和踐行的課題。我一直堅守清華大學(xué)所提出的“價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”三位一體的育人理念，努力將學(xué)生培養(yǎng)成優(yōu)秀的人才。

?《科學(xué)進(jìn)展》將彩色碳納米管的成果評選為特色論文

科研、教書、育人，這些都是我的日常，雖看似枯燥，但我樂在其中！

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）