材料學(xué)家的科研日常

彭立明

電子材料

建筑材料

紡織材料

“全能型選手”

——材料學(xué)家

自人類(lèi)步入現(xiàn)代社會(huì)以來(lái)，材料學(xué)家的目光逐漸投向半導(dǎo)體材料、納米材料、生物材料、高分子材料、電子信息材料等高新材料。豐富的研究?jī)?nèi)容也意味著材料科學(xué)變得包羅萬(wàn)象，這就要求材料學(xué)家對(duì)物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域都要有一定的了解。

一般來(lái)說(shuō)，材料學(xué)家的研究?jī)?nèi)容包括：

1.了解材料——通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)，分析和描述材料性能、結(jié)構(gòu)和組成，以便更好地理解和應(yīng)用這些材料；

2.制造和改造材料——根據(jù)需求，通過(guò)一些方法來(lái)調(diào)整材料的物理、化學(xué)性能；

3.使用材料——將不同的材料組裝、集成為一系列可正常使用的功能性器件（例如可實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的器件）；

4.預(yù)測(cè)材料——通過(guò)計(jì)算材料學(xué)（材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科）的方法來(lái)預(yù)測(cè)和解釋不同材料間的本質(zhì)規(guī)律。

發(fā)現(xiàn)，而后改造

材料科學(xué)的世界豐富多彩，因此，材料學(xué)家往往會(huì)聚焦于某個(gè)目標(biāo)開(kāi)展一段研究。目前，我們的工作就主要集中在塑性無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。

塑性無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料具有神奇的彎曲、變形能力

Ag2S 的晶體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料（例如硅、碳化硅等）都是脆性材料——在外力作用下，僅產(chǎn)生很小的變形就會(huì)發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效。近年來(lái)，我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種室溫下具有塑性（材料在受力時(shí)能夠發(fā)生不可逆的變形，即材料受到外力后會(huì)永久改變形狀）的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料——Ag2S（硫化銀）材料，它能夠在室溫下隨意被彎折、扭曲，且不會(huì)發(fā)生斷裂，具有類(lèi)似金屬和塑料的變形能力。

從微觀角度來(lái)說(shuō)，目前我們認(rèn)為Ag2S材料的塑性來(lái)源如下：其內(nèi)部Ag原子和S原子按照某種規(guī)律排列的晶體結(jié)構(gòu)和原子相互之間的作用力，使得在受力過(guò)程中的原子層之間更容易發(fā)生滑移，而不易于解離即斷開(kāi)，因此才產(chǎn)生了宏觀上的彎曲、變形。

Ag2S 材料制備的可穿戴半導(dǎo)體器件示意圖

?Ag2S材料制備的可穿戴半導(dǎo)體器件實(shí)物圖。圖中，該器件利用人體與環(huán)境的溫差產(chǎn)生了一定的電壓輸出

然而，這種材料也有美中不足之處——純的Ag2S材料導(dǎo)電能力很差，如果做成相應(yīng)的器件，大部分能量會(huì)損失。因此，我們希望通過(guò)調(diào)控Ag2S材料的結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成來(lái)提高它的電導(dǎo)率。

我們使用了同主族化學(xué)元素固溶的方法——即制備原材料的時(shí)候，按照一定的比例使用Se和Te元素取代S元素的原子位置——改變了Ag2S材料原有的組成結(jié)構(gòu)。最終，我們獲得了兼具良好塑性和導(dǎo)電性能的Ag2（S，Se，Te）多元化合物，并在此基礎(chǔ)上制備了柔性可穿戴器件。

實(shí)驗(yàn)室之外

在科研之余，我的導(dǎo)師時(shí)常教導(dǎo)我們：多出去玩、多運(yùn)動(dòng)、多思考，即在認(rèn)真、刻苦做好自己分內(nèi)工作的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)熱愛(ài)生活、發(fā)散思維，多與不同學(xué)科的優(yōu)秀學(xué)者進(jìn)行思維碰撞，以拓展自己的視野。有時(shí)候，我們?cè)诋?dāng)下遇到的科研上的小難題，對(duì)于其他學(xué)科來(lái)說(shuō)很可能只是常識(shí)性問(wèn)題；也或許，一些問(wèn)題的答案就在跑步、繪畫(huà)、歌唱的生活間隙中柳暗花明。材料科學(xué)的發(fā)展，就是在一次次的靈感迸發(fā)中“積跬步而至千里”的。

在高速發(fā)展的信息時(shí)代，材料科學(xué)肩負(fù)著國(guó)家和人類(lèi)發(fā)展的重任，材料學(xué)家在航空航天、新能源、電子電路、醫(yī)藥、建筑等行業(yè)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。希望各位有志于材料科學(xué)研究的同學(xué)們，腳踏實(shí)地、仰望星空，熱愛(ài)生活、永懷熱忱！

（責(zé)任編輯 / 代竹蕊? 美術(shù)編輯 / 周游）

導(dǎo)師與學(xué)生在日常實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行交流