納米材料專家段鑲鋒:科研中最怕被傳統觀念限制思路

導讀

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進位造技術和國防的高速發展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等對材料的尺寸要求越來越小；納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一，是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。那麼在科學家眼中納米材料到底是什麼樣的呢？

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未來科學大獎周

系列訪談

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段鑲鋒

從科研到創業

又回到科研的二十多年

我以前是中國科技大學畢業，1997年的時候去了美國哈佛大學留學，然後大概是五年之後拿了PhD，之後基於我做博士的時候一些研究成果，我們成立了一個初創公司，我在初創公司大概工作了六年之後，重新回到學術界，去UCLA工作。應該說二十多年來一直從事的領域主要是納米材料的領域，主要是我們知道這個納米材料，我們把這個材料的尺寸，普通材料的尺寸變得越來越小的時候，它會產生一些新的性能，然後根據它不同的尺寸大小呀、形貌呀，對它的光電性能，或者說是催化性能，或者是其他的一些力學，磁學性能都有可能產生一些根本性的變化，所以說我們希望通過對於這些納米尺度上，一些材料的結構的調控，來控制這些性能，然後再進一步的研究這些性能，然後最終希望能夠把這些性能再精進的應用起來，能夠對於我們日常生活的一些各種技術產生一些積極的意義。

學校比較自由，相對來說比較自由，就是說你想到一個新的想法，你上午想到下午就可以去實驗室做。在公司的話，都要經過一套的流程，你必須得經過討論，這個對整個公司的發展前景，這個前景就是說對於這個產業上有沒有直接的影響，這個學術的角度來講，我們只要是覺得這個是在學術上有意義，不是說對這個產業上馬上要發生影響，有可能這個影響有可能是五年，有可能十年，甚至是十五年之後的事情。

納米材料研究成果

為社會帶來哪些貢獻？

其實我們做的研究，有可能是比較偏基礎一點，就是說這個應用方向有可能是五年十年之後的，但是我們現在研究的比較多的一點有可能是一些新型的納米材料，大家有可能聽說過石墨烯，像類似石墨烯這種，所謂的二維材料，我們研究這種二維材料的它本身的一些光學電學行為，研究這些光學電學行為其實希望利用這種二維材料有可能作為未來我們後矽時代的一種電子材料。從這個角度講上說，就是一個比較長期的研究。

但是要是說從稍微有可能離近期應用稍微近一點的方向我們也有一些，一個與這個作為電子材料相關的，有可能類似的二維材料，我們可以把它做成一種類似的列印電子材料，就是做非常柔性的電子材料，可穿戴的電子器件。像這種類似的器件的話，其實有可能與傳統的這個矽類器件具有它特別的優勢，所以它有可能能夠相對來說比較容易與實際應用相結合，這是它的解決的問題，也是所解決一些傳統的矽電子器件裡面不能解決的問題，而不是去與矽電子器件競爭。另外比如說，還有就是說石墨烯也是一種，可以說最典型的二維材料了，我們利用一些石墨烯做成所謂的三維的石墨烯，它形成一個三維網絡結構，原則上有非常好的導電性能，假如說和這個電池材料複合起來，就有可能對電池的充放電速度可以大大加快。

所以從這個角度來說，有可能對電池的性能有比較大的提升，假如說能夠精進的應用到這個電池裡面去的話。當然也還有一些催化方面的工作是有可能是作為燃料電池，我們知道燃料電池需要把這個通過一種電化學的方式，把這個化學燃料中的電子直接提取出來，到外電路做功，所以這是一個相對比較困難的課題，經常需要一些催化劑，這種催化劑的話一般來說是一些貴金屬，比如說鉑金。所以說怎麼樣有效提升這種鉑金的催化劑的性能，是對於這個燃料電池的應用是一個非常至關重要的這個挑戰。所以說在這方面呢，我們也是通過一些納米材料的調控，能夠把現有的燃料電池催化劑可以有可能大大的提升。

研究中最怕被傳統觀念限制思路

科研裡面的挑戰，我覺得最大的一個問題就是說，我們做事情不要被傳統的觀念限制住，不要想當然。要能夠接受新鮮事物，這個事情說起來容易，做起來它其實不容易。我們很容易會被我們自己固有的思維、現有的知識被固定住，所以說從這個角度說有的時候、很多時候你需要有意識的退一步思考一下。

舉一個例子，我們最近做了一個工作。比如說我們做個半導體器件的時候呀，需要做金屬電極，我們傳統做金屬電極的時候，需要這個金屬和這個半導體之間有很強的化學鍵，越強越好，但是這裡面與我們剛剛講的一個問題相關，就是其實我們金屬和半導體之間是很不一樣的材料，它有很強的化學鍵的時候，它化學鍵結構很不一樣，那那個化學鍵的話是一個非常無序的一種狀態，我們可以想成非常無序的狀態，電子從那個金屬到半導體運輸有很大的散射作用。所以說從這個角度來講的話，其實對於這個金屬和半導體之間的這種接觸的話，其實有很大的負面的影響，但是其實我們最近做的工作可以說是反其道而行之，基本上把這種金屬和半導體，尤其是二維半導體直接通過類似這種一個簡單的像手機貼膜一樣，把兩層材料貼在一塊兒。它中間是沒有任何化學鍵，它保持了兩個材料的它本身的結構，這樣的話，能夠保持對材料本身沒有產生破壞作用，能夠使它的這個之間的這個界面達到一個理想的狀態，在恰當的情況你就可以很好地導電性了。

納米材料界「神鵰俠侶」

他與妻子飯桌論學術

事實上就是因為我們研究的領域還是有很多交集，其實也是不由自主地有一些合作呀，現在都是在UCLA，她在材料系，我在化學系。因為交流比較多嘛，這個學生之間也有自動的交流，不由自主地兩邊的學生都有可能是融合在一塊兒了。現在的這個科研其實需要多方面的知識，假如說能夠很好地合作的話，其實對於科研怎麼有效地完成總是對效率是有很大的提升。當然也是比較更現實的是有很多可以共享的儀器。

另外一個角度講，因為科研其實也需要花很多時間的投入，因為大家都是做這方面的東西嘛，相互比較容易理解這裡面的有的時候面臨的一些問題。比如說我們有可能在飯桌上經常討論的也是與這個工作完全相關的事情。

科學最大的吸引是創新之美

我想這個（科學）吸引力的話，與剛剛講到的創新之美是很相關的。你做哪個讓自己也很有滿足感的事情，那肯定是你是不由自主的，很主動地去做這個事情。就是說至於困難的話，其實在科研上困難是一個很自然的狀態，就是說因為我們每天都挑戰新的東西，所以說從這個角度來講，其實科研上的困難都不算困難，所謂的困難都是機遇，困難越大的時候，有可能是越大的機遇。所以說從這個角度來說，所有科研上的困難都不是困難。

從另外角度講，你做科研的時候不僅僅是你發現新的東西，做的一個更好的器件，而且同時你也培養了很多學生，你看到這也是一個非常有滿足感的事情。你看到你的學生不斷地成長，從剛剛做研究生到有可能知道的非常之少，到畢業的時候他有可能變成一個領域的專家，有可能在畢業幾年之後你都不敢相信這是你的學生了。確實是一個讓你感覺到非常有滿足感的過程，而且這個過程其實相對來說是完全可以預測的，只要你投入精力進去的話，學生一般都是會成長的。

段鑲鋒

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校終身教授

納米材料學專家，美國加利福尼亞大學洛杉磯分校終身教授、博士生導師，湖南大學特聘教授，段鑲鋒先後主持美國國家科學基金和美國國家衛生研究院基金等多項重要課題，共發表學術論文180餘篇，其中包括Science、Nature及Nature子刊20多篇，被引次數超過30000次，並擁有超過40項美國專利。

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