2010年10月5日，諾貝爾物理學獎揭曉，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因為在二維材料石墨烯方面的的貢獻獲獎。此後，石墨烯迅速成為科研界關注熱點。那一年，西南交通大學材料科學與工程學院大二學生楊倩，怎麼也不會想到，自己有一天也能加入諾貝爾獎得主安德烈·海姆團隊。
楊倩，圖源西南交大新聞網
7年後的2017年，那時的楊倩更不會想到，自己的名字也能刊印在國際頂級期刊Science和Nature Materials上，「Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits」（離子在埃級別狹縫中傳輸的尺寸效應），對於母校更是意義重大。正如時任西南交大校長徐飛在大會上評價：「這是「一個載入史冊的事情」。這標誌著學校實現國際三大頂級期刊「零的突破」」。
2020年12月10日，西南交大博士畢業的楊倩（現為英國曼徹斯特大學博士後）又以第一作者的身份，在國際頂級學術期刊Nature發表了題為"Capillary condensation under atomic-scale confinement"的文章，研究報導了納米限域毛細凝聚新理論，並對傳統開爾文公式進行了修正，使其能夠更好地描述亞納米尺度的毛細凝聚現象，為解開毛細凝聚這一百年謎題提供了方案。
這個打破西南交大校史，發學校首篇Science，近日又一作發Nature的漂亮的博士小姐姐又有著怎樣的科研之路與感悟？
01
「零的突破」載入西南交大史冊
據西南交通大學新聞網報導，2017年10月，楊倩參與的論文「Size Effect in Ion Transport through Angstrom-scale Slits」（離子在埃級別狹縫中傳輸的尺寸效應）發表在國際頂級學術期刊Science上，實現了西南交大「零的突破」。該研究由西南交大榮譽教授、曼徹斯特大學安德烈·海姆教授引領，並作通信作者。11月13日，Nature子刊Nature Materials又第一次出現了第一作者為交大人的文章，西南交大博士生楊倩，題為「Ultrathingraphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solventpermeation」的文章，發現了一種基於氧化石墨烯（GO）的高通量分子分離膜。楊倩介紹，兩項成果主要在英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院（NGI）完成，研究長達兩年。正如時任該校黨委副書記、校長徐飛在西南交通大學國際化工作大會上所說，這是「一個載入史冊的事情」。這標誌著學校實現國際三大頂級期刊「零的突破」。
02
「熊貓女孩」坦言：
「博一博二時，科研不太有自信，羨慕別人發文章」
楊倩是西南交大2013屆材料科學與工程專業（高分子方向）本科畢業生，以專業第一的成績保送為本校材料學院（材料先進技術教育部重點實驗室）周祚萬教授的直博生，開展碳基納米材料研究。2015年1月22-24日，應周祚萬邀請，諾獎獲得者Andre Geim安德烈·海姆教授來到交大訪問，並受聘成為西南交大榮譽教授。就在安德烈·海姆教授訪問期間，學校提出希望派遣一位同學前往曼徹斯特大學進行聯合培養。楊倩由於出色的英文基礎與專業知識，順利拿到了這一資格，並獲得了國家留學基金委和國家自然科學基金項目資助。當年9月，楊倩便前往曼徹斯特大學Andre Geim（安德烈·海姆）教授課題組進行聯合培養，開始了在英國的求學時光。
Andre Geim（安德烈·海姆）教授
「panda girl」！
當楊倩來到曼徹斯特大學的實驗室，她發現安德烈·海姆教授這樣親切地稱呼她，而同事們對這個名字似乎也很是熟悉。在後來與同事們的交流中，楊倩才得知，安德烈·海姆教授十分喜愛中國熊貓，在他在結束交大的訪問回國之後，曾多次向同事提及：在中國不僅見到了熊貓，而且還帶回來一個「熊貓女孩」。隨諾獎導師學習的過程中，楊倩深感導師思維的活躍以及思路的新穎獨到，「他對於科研的態度更多的是一種樂在其中，這個領域長時間的研究使得導師的思維更加獨到」。楊倩也感慨到，實驗室裡有頂尖的設備和優秀的團隊，特別是身邊的同事都很優秀，所有人都處於一種很自律的狀態，她也會不自覺的想要提高自己。
楊倩在英國求學時
楊倩在接受揚華研究生新聞中心採訪時坦言，以前博一博二時對於科研不太有自信，研究思路也不夠豐富。看到別人的文章時通常也只是羨慕，更不認為自己有能夠在頂級學術期刊上發表文章的機會。經過兩年在專業內頂級團隊的科研訓練，楊倩更加理解了科研所需要的態度與方法。
「國內、國外的實驗室沒有太大的區別，在硬體設備上或許有一定的差距，但是研究者的個人能力、科研精神、科研態度都是一樣的。真正好的研究者對於所在專業是非常熱愛和有追求的。」楊倩談到了安德烈·海姆教授，「Andre對於科研非常熱愛，這幾乎就是他的生活、休閒方式之一。不斷地挑戰自己、超越自己，並且和同行相互交流競爭，這是他的樂趣之所在。」
論文的發表令人欣喜，但前期的主要工作是耗時兩年反覆的實驗。楊倩說，通常做完一批樣品需要用到十幾臺設備，經過諸多嚴密的步驟，這個過程所花費的時間不等，「運氣好」的時候可以一兩個星期完成，然而這個過程常常會遇到很多其他因素使實驗的進度不定。
楊倩在揚華研究生新聞中心辦公室接受採訪
「製備石墨烯需要三五天，而且量也很少，實驗期間如出現樣品汙染等問題，整個實驗就得重頭再來。有次做了大概一個星期，發現了樣品汙染的問題，然後整個實驗便白費了」
在英國曼切斯特大學的實驗室裡有頂尖的設備和優秀的團隊，這些條件為前沿研究成果的萌芽創造了條件。「頂尖設備能實現頂尖想法，同樣重要的是，團隊的每個人都對自己的工作非常投入，彼此之間相互激勵感染。同時，團隊成員們也常常交流討論，及時發現問題、解決問題。同樣，過硬的專業知識積累極其重要，只有對基礎知識較為熟悉，才可以與文獻積累碰撞出創新的火花。」楊倩談著她眼中頂級學術論文產生所需的要素。
她堅信，沒有誰可以不費吹灰之力就能完成一件偉大的事情，驚天動地之力往往非常人所能及，大部分的普通人，經常感到做科研的壓力很大，但只要一步一腳印，在自己的心明白大的方向是對的，學著不斷修正自己的方法和研究思路，不斷堅持和努力，就能發現世界的多樣性，創造屬於我們生活的更好可能性。
03
幸運的背後：
「導師周祚萬教授鼓勵與引導十分關鍵」
有人也許會說，她英語好、成績好，幸運地拿到了跟隨諾獎導師學習的機會，然後順理成章地發表了高水平論文。「幸運女神」似乎始終伴隨著楊倩。真是這樣嗎？其實，機會總是眷顧著有準備的人，而楊倩正是那個有準備的人，而機會則是來自於學校、來自於導師周祚萬教授。
周祚萬教授
當談及與石墨烯的緣分時，楊倩認為，周祚萬的鼓勵與引導十分關鍵。在大三的「功能高分子材料」專業課上，楊倩第一次見到周祚萬教授，聽他介紹了高分子材料最前沿理論以及相關科研進展方面的信息。「周老師的教導使我更加理解材料，材料的各種可能性、潛在應用也深深吸引了我，從那時開始覺得，自己以後可能會去做這個東西。」同時，教學中，周祚萬注重學生理解，引導大家在現有知識的基礎上，進行科研的創新。本就有著良好學習習慣和自主學習意識的楊倩也因此更加沉浸於科研之樂。在大三之後，楊倩積極參加學校的SRTP訓練項目以及學科競賽，並進入課題組。「在接觸一些實驗基礎訓練之後，我了解了實驗的基本操作以及規範，知道了怎麼去查文獻以及從中找到自己的思路。此外，和實驗室的師兄師姐進行交流，讓我對科研產生了更清楚的認識，也養成了對科研的態度。」隨著科研取得一些成績，楊倩對於科研更有興趣了，研究方向也漸漸延伸到石墨烯等材料前沿熱點問題。
本科畢業之際，楊倩以專業第一的成績成功保研，順利拿到浙江大學的錄取通知書。可是，思前想後，出於對於交大實驗室的熟悉以及對於成都這座城市的習慣，楊倩毅然放棄浙大的機會，選擇繼續留在交大，成為周祚萬的直博生，開展碳基納米材料研究。
對於愛徒，周祚萬用「有方法、刻苦」來形容她。他指出，楊倩在讀博之初，為了進一步提高自己的英語能力和專業競爭力，在課餘時間苦練英語，經過半年的努力，她的英語不僅滿足專業學習要求，而且也能與同行業的外籍友人無障礙交流。
04
一作再發Nature
破解「百年謎題」
據西南交大官微報導，12月10日，出版的國際頂級學術期刊Nature發表了楊倩（現為英國曼徹斯特大學博士後）為第一作者的文章「Capillary condensation under atomic-scale confinement」，報導了納米限域毛細凝聚新理論，並對傳統開爾文公式進行了修正，使其能夠更好地描述亞納米尺度的毛細凝聚現象，為解開毛細凝聚這一百年謎題提供了方案。西南交通大學前沿科學技術研究院院長、材料科學與工程學院材料先進技術教育部重點實驗室教授周祚萬為該文章的共同作者。
毛細凝聚，是我們從教科書中學到的自然現象，通常在接觸表面或多孔材料中發生，在我們生活中處處存在，會影響包括摩擦、吸附、潤滑、腐蝕等在內的諸多重要性質，也在微加工技術、醫藥、食品加工等許多工業技術過程中發揮著重要作用，就連小孩子們在沙灘上玩耍堆砌的沙堡，也離不開毛細凝聚。毛細凝聚現象通常由開爾文方程進行科學描述，該方程提出距今已有150餘年，能很好地解釋在大於10 nm通道中的毛細凝聚現象，這個寬度只有人頭髮絲的千分之一。然而若想要毛細凝聚發生在環境溼度條件(通常是相對溼度30-50%) 下，通常需要更小(<1 nm) 的通道尺寸，而這個尺寸跟水分子自身大小(大約0.3 nm)相當。在這種情況下，自發凝聚的通道中便只能容納幾層水分子，顯然宏觀開爾文方程不能繼續用於闡述該尺寸下的毛細凝聚現象。實際上，在該尺度下開爾文方程甚至不再具有意義，例如當只有幾層水分子存在時，我們無法定義水半月板的曲率半徑這一開爾文方程中的重要參數。但長期以來，用於驗證開爾文方程適用性的體系受限於表面粗糙度等實驗問題難以建立，因此，即使開爾文方程的適用性雖並未得到完全證明，卻依然在被大家廣泛使用。
來自曼徹斯特的研究者們通過長時間的努力，採用具有原子級別光滑表面的雲母和石墨二維晶體，通過將具有一定原子層數的二維晶體堆疊在兩層晶體間，得到了具有原子級別光滑表面的納米通道，最小的通道只有1個原子層高度，只能容納一層水分子。該工作證明即使在這樣最小的通道裡，開爾文方程依舊適用。這是一個很意外的結果，甚至和我們的認知相違背，因為在這麼小的維度裡，連水分子的結構都是離散的層狀結構。「這對我來說很意外，我們期望的是傳統理論失效」本文的第一作者楊倩博士說到，「但這個有著百年歷史的方程居然依舊成立」；她提到，開爾文方程這種良好的適用性，也同樣是偶然的。在發生毛細凝聚的納米通道中通常會產生超過1000個大氣壓的負壓，超過深海海底的壓力，如此巨大的壓力可以使通道發生埃 (1埃 = 0.1 nm) 級別的尺寸調整，而這就能夠使通道只容納整數層水分子。正是由於這樣的細微調整，使得開爾文方程具有了在該尺度下的廣泛適用性。
「好的理論通常都有這樣的特性，能在適用範圍外依舊合理」，文章通信作者、諾貝爾物理獎得主、西南交大榮譽教授A. K. Geim博士說到，「開爾文勳爵是偉大的科學家，有許多重大發現，但即使他看到這樣的結果可能也會感到驚奇，畢竟他最早的實驗是建立在毫米級別尺度下的。但實際上，他也曾預言這是不可能的。所以，我們的工作能同時證明開爾文既是正確，也是不正確的」。
04
寄語學弟學妹
在接受揚華研究生新聞中心採訪時，當楊倩被問到有什麼學習建議可以給研究生師弟師妹們分享時，她認為有三點非常重要。首先，要紮實地打牢理論基礎，掌握好最基礎的知識點，這些積累會對以後做科研起到很大的幫助。其次，要做一些看似「無用」但是自己喜歡的事情，在未來會有意想不到的收穫，每一份努力都會有回報。再者，就是要自我激勵，對自己每天要做的事情有所規劃，提高效率。
楊倩在揚華研究生新聞中心辦公室接受採訪
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1
https://science.sciencemag.org/content/358/6362/511
https://www.nature.com/articles/nmat5025
版權聲明
本文由科研大匠綜合自西南交大新聞網、官微、揚華研究生新聞中心，僅用於學術分享。