从“菜鸟”到特奖的成长之路

——记2013年清华大学研究生特等奖学金获得者张如范

研通社记者 戴 傲

  张如范,清华大学化学工程系2009级直博生,师从魏飞教授。攻读博士期间,其所在团队成功制备出世界上最长的碳纳米管,实现了单根碳纳米管的光学可视化及宏观尺度下的可控操纵,首次发现了宏观尺度碳纳米管结构超润滑现象。目前以第一作者身份发表SCI论文6篇,其成果相继发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology), 《自然-通讯》(Nature Communications), 《先进材料》(Advanced Materials), 《美国化学会纳米》(ACS Nano)等国际顶级专业期刊上,申请6项专利,参与撰写专著两部。曾获2013年中国纳米科学与技术国际会议最佳墙报奖,2011年能源与环境新型纳米材料国际会议最佳墙报奖、第13届纳米管科学与应用国际会议最佳墙报奖、巴斯夫首届亚太地区科技论坛最佳墙报奖、2012年教育部博士研究生学术新人奖、2012年及2013年研究生国家奖学金、2012年金涌奖学金、2013年巴斯夫优秀博士生特等奖、2013年清华大学研究生特等奖学金等荣誉。

  4年前,他从石油化工领域,转行到陌生的碳纳米材料领域;

  4年间,他争分夺秒、匠心独运、变废为宝,连续攻克世界级科研难题;

  4年后,他见证了世界最长碳纳米管在清华实验室的诞生。

  大家都说他是“学霸”,可他却说:“其实我以前是个菜鸟,而现在,也不过刚刚起飞。”

——题记

追随梦想 学不成名誓不还

  与大多数人料想的特奖获得者的高起点不同,张如范早期的求学生涯历经坎坷。2004年,他以3分之差和西安交通大学失之交臂,在家长和老师的建议下,“心不甘情不愿”地去了第二志愿的院校。

  在那里,他很苦闷,很彷徨。一方面,他内心有着万丈豪情,渴望做出“一番事业”,而有限的学术空间却让他感觉与周围格格不入。“来到一个新环境,如果你不能接受它,被它同化,那你最终只会被它边缘化”,张如范说道。在挣扎了一年之后,张如范虽然门门考试在院系本年级排第一,同时担任院系内重要的学生干部,他还是毅然决然地做出一个旁人看来近乎“疯狂”的决定——退学。

  回忆起当时的决定,张如范说自己想得很简单,“就是不想让自己后悔。”重新回到高中的张如范卧薪尝胆,备考之路虽然艰辛,但他充满了干劲,只是因为心中一直坚持的那个学术梦想。回到学校的第二次考试,他的成绩便已攀升至年级第二名。2005年,张如范通过高考,顺利考入中国石油大学(北京)化工学院。

  对于这段经历,张如范总结成一句话:“一个人要敢于直面自己内心的恐惧,追随自己心中的梦想。”

灵活机变 无心插柳柳成荫

  2009年,张如范以优异的成绩从本科院校保送到清华大学化工系。那年春季,他提前来到清华做本科毕业设计,跟随魏飞老师做超长碳纳米管制备与性质方面的研究。当时,魏飞教授最初给张如范制定的“练手”课题是利用碳纳米管挂载某种催化剂,研究其反应机理。然而,这个课题对于之前从未接触碳纳米管相关知识的张如范而言简直难于登天。尽管张如范“折腾”得十分辛苦,但催化剂就是无法挂载到碳纳米管上,更别提研究反应机理。看到别人在实验方面突飞猛进,他一度产生了很强的挫败感。眼见3个月的毕设时间已过去大半,他心急如焚。但天生乐观的他并没有因此放弃,而是继续在这个课题上努力。

  他决定先尝试在碳纳米管上挂载别的颗粒,摸清其中的原理,再来做魏飞老师安排的课题。据张如范自己回忆,他大概累计试验了几十种材料,每一种从设计到准备再到操作,都要花费几天的时间。就在不断反复的实验中,他发现挂载Ti02颗粒的碳纳米管,由于颗粒对可见光有很强的散射能力,从而实现了光学显微镜下单根碳纳米管的可视化观察。他敏感地意识到这一偶然发现背后的意义,很快便利用这种现象设计出一种简单但有效的测量单根碳纳米管力学性质的方法。他的这一发现被魏飞老师评价为足以在《科学》(Science)上发表,并最终发表在材料领域国际顶级专业期刊《先进材料》(Advanced  Materials)上。

坚持积累 长风破浪会有时

  善于和热爱总结积累,是张如范科研工作的一个法宝。张如范说,他平均每十天半个月,便要总结反思自己这段时间的科研成果,对于自己的错误、懒惰、懈怠,认真地进行自我批判。4年的科研路上,他写下的科研笔记和科研记录已达十余本。对他而言,这厚厚的每一本,都是他值得挖掘的宝藏,这些总结和积累更是他日后很多重大成果的基石。

图为张如范部分科研笔记和科研记录。记者 范 丽

  张如范的一个主要研究方向是提高碳纳米管的长度,使其达到米级甚至更长,从而为超强纤维等材料的制备提供可供选择的材料。然而,这却是一个世界性的难题。在从事超长碳纳米管制备的过程中,他经常会遇到碳纳米管停止生长的情况。多次失败后,他常常习惯于把以往所有的实验数据进行整理和分析,努力从中寻找蛛丝马迹。

  终于,他从那些看似杂乱无章的数据中发现了相互间的联系,并由此建立一种能成功描述超长碳纳米管生长的模型。在此理论模型下,以前所有的数据,哪怕是曾经认为的“垃圾数据”都能得到合理的解释。依据这种机理模型的指导,张如范历经3年钻研,终于成功制备出单根长度达到半米的碳纳米管,这是目前世界上最长的碳纳米管,超过现有记录的两倍以上。这项工作发表在《美国化学会纳米》(ACS Nano)上后,引起了广泛关注。美国纳米科学与技术网(Nanowerk)、中央电视台、人民日报等多家主流媒体都做了报道。

  张如范认为:“科研的进步,大多来自坚持和积累。如果自己没有一直坚持做超长碳纳米管的制备,如果自己没有长期积累实验数据,如果没有这种对于科研事业百分百的付出,不会有现在的研究成果。”

敢于创新 创造条件也要上

  谈及创新对于科研的重要性,张如范有一个很生动的比喻,“科研和做农活不同,不是一味地埋头苦干就可以出成果的,坚持的同时,更要注重方法。”碳纳米管是一个跨专业的前沿领域,涉及力学、化学、化工、材料等多门科学,需要综合运用多种仪器设备对其性能进行测量和表征。然而张如范所在的实验室是一个纯化工实验室,很多条件都不具备。面对这些困难,他虽然也会到外单位寻求合作,但更多的是充分发挥自己的主观能动性,利用现有条件,巧妙改造,自制设备进行研究。

  以研究碳纳米管的力学特性为例,常规的做法是单根碳纳米管固定在专门的力学仪器上进行测量。这种测量一般需要精度达到纳米级的专业设备。可是张如范所在的实验室并没有这类设备,怎么办?

  张如范创新性地提出,利用一根毛细管从悬空碳纳米管侧面“吹气”,使其发生弯曲,根据气速大小、颗粒数量和粒径以及碳纳米管的弯曲程度来计算其受力大小,从而测量出它们的力学性质。但为了能够顺利实现“吹气”法,首先需要使碳纳米管生长在具有一定沟槽的硅片基底上。而在硅片上刻槽的传统方法是微加工工艺,成本很高,制作一个符合实验要求的沟槽,成本接近万元。为了能够降低成本,张如范再次思考:既然微加工方法如此之贵,何不将三块硅片上下拼接在一起,形成一个沟槽?然而,这种粘接硅片的方法却面临一个关键的难题:没有能够耐受1000摄氏度实验高温且不挥发不影响碳纳米管生长的粘合剂。张如范尝试了大料有机和无机材料,都没有成功。突然有一天,在和师姐聊天中,他灵光一现,心想:何不用金属箔片作为粘合剂呢?他将小片铝箔放在硅片之间,然后在高温下将铝箔熔化。冷却之后,铝箔从液态变为固态,就可以将所粘附的硅片牢牢固定住,从而完美地做出实验所需的沟槽,而且加工成本几乎为零。

  这一连串巧妙的创意在《先进材料》(Advanced Materials)上发表后相继被自然出版集团-亚洲材料(NPG Asia Materials)以及美国纳米科学与技术网站Nanowerk两个著名网站评为亮点文章。张如范说,“这是一个看似很‘山寨’的方式,但是背后却蕴含着很多巧妙的构思。有句话叫做‘有条件要上,没有条件创造条件也要上’,做研究就需要有这种闯劲。”

  后记:王安石在《游褒禅山记》中提到:“而世之奇伟、瑰怪,非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉,故非有志者不能至也。”张如范从自己口中的研究生“菜鸟”,一步步走来,成为同学们交口称赞的研究生特等奖学金获得者,完美地印证了此中深意。

 编辑:范 丽

2013年12月23日 16:35:00  清华新闻网

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