志在制備出世界最長(zhǎng)的碳納米管
——記清華大學(xué)化工系2009級(jí)博士生張如范
研通社記者 陶一萍 張旭 新聞中心記者 范麗
張如范，清華大學(xué)化學(xué)工程系直博四年級(jí)學(xué)生，師從魏飛教授。在攻讀博士期間，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和與科研團(tuán)隊(duì)其他科研人員的通力協(xié)作下張如范成功制備出世界上最長(zhǎng)的碳納米管，實(shí)現(xiàn)了單根碳納米管的光學(xué)可視化及宏觀(guān)尺度下的可控操縱，首次發(fā)現(xiàn)了宏觀(guān)尺度碳納米管結(jié)構(gòu)超潤(rùn)滑現(xiàn)象。目前以第一作者身份發(fā)表SCI論文5篇，其成果相繼發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）, 《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）, 《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）等國(guó)際頂級(jí)專(zhuān)業(yè)期刊上，申請(qǐng)6項(xiàng)專(zhuān)利，參與撰寫(xiě)兩部專(zhuān)著。曾獲2011年能源與環(huán)境新型納米材料國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、第13屆納米管科學(xué)與應(yīng)用國(guó)際會(huì)議最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、巴斯夫亞太地區(qū)科技論壇最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、2012年教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)、研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、金涌獎(jiǎng)學(xué)金、巴斯夫優(yōu)秀博士生特等獎(jiǎng)、清華大學(xué)第304期及第330期博士生論壇優(yōu)秀報(bào)告等。其科研成果曾被中央電視臺(tái)、北京電視臺(tái)、《人民日?qǐng)?bào)》、《科技日?qǐng)?bào)》、《北京日?qǐng)?bào)》、《大公報(bào)》等多家媒體報(bào)道。
圖為張如范在實(shí)驗(yàn)中。
張如范從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始接觸納米研究前沿課題，到為解決這些課題歷經(jīng)重重挑戰(zhàn)，再到屢創(chuàng)佳績(jī)?nèi)〉美劾鄞T果，他是如何破繭成蝶、在科研之路上嶄露頭角的？
提到清華工科男，難免不少人會(huì)先入為主，覺(jué)得張如范是一位整日埋頭實(shí)驗(yàn)、敏于行而訥于言的工科男生。但在采訪(fǎng)過(guò)程中，張如范的開(kāi)朗健談與詩(shī)詞才情給筆者留下了深刻印象。他不僅有著工科男的沉穩(wěn)與踏實(shí)，也有著對(duì)文藝的追求與情懷。勤奮、巧思、善于總結(jié)，以及對(duì)科研的樂(lè)觀(guān)和激情都是他取得成功的重要因素。一個(gè)多小時(shí)的采訪(fǎng)，他娓娓道來(lái)，生動(dòng)展示了他的科研與生活。
天道酬勤，“柳暗花明”破瓶頸
2005年張如范考入中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院。在本科期間，他勤奮學(xué)習(xí)，夯實(shí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，并一直保持樂(lè)觀(guān)的心態(tài)，努力培養(yǎng)對(duì)新事物的興趣；曾任班長(zhǎng)、化學(xué)愛(ài)好者協(xié)會(huì)副主席，學(xué)生記者等職務(wù)，從社會(huì)工作中得到許多收獲。
2009年，張如范以?xún)?yōu)異的成績(jī)從中國(guó)石油大學(xué)（北京）保送到清華大學(xué)化工系。當(dāng)年3月份，他提前來(lái)到清華做本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，跟隨魏飛老師做超長(zhǎng)碳納米管制備與性質(zhì)方面的研究。從本科學(xué)石油化工，突然轉(zhuǎn)到完全陌生的納米領(lǐng)域，面臨的困難可想而知。張如范沒(méi)有退縮，從硬著頭皮啃英文文獻(xiàn)開(kāi)始起步。
接觸課題的前兩個(gè)月，盡管張如范“折騰”得十分辛苦，但什么成果也沒(méi)得到?？吹絼e人在實(shí)驗(yàn)方面突飛猛進(jìn)，他一度產(chǎn)生了很強(qiáng)的挫敗感。天生樂(lè)觀(guān)的他并沒(méi)有因此放棄，而是繼續(xù)在這個(gè)課題上努力。由于課題本身難度較高，在日復(fù)一日的實(shí)驗(yàn)中，張如范依然進(jìn)展緩慢。
圖為張如范在實(shí)驗(yàn)中。
天道酬勤。在一次實(shí)驗(yàn)中，他偶然發(fā)現(xiàn)了一種實(shí)現(xiàn)碳納米管光學(xué)可視化的方法。前面連續(xù)兩個(gè)月失敗的經(jīng)歷讓他敏感地意識(shí)到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義，他很快利用這種現(xiàn)象設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單但有效的測(cè)量單根碳納米管力學(xué)性質(zhì)的方法。為了盡快完成這項(xiàng)工作，在清華園的第一個(gè)寒假他就放棄了回家過(guò)年的機(jī)會(huì)，大年初一還堅(jiān)持在實(shí)驗(yàn)室處理數(shù)據(jù)。功夫不負(fù)有心人，來(lái)到清華的第二年，他的第一篇論文就發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)專(zhuān)業(yè)期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
從此，張如范的科研激情一發(fā)不可收拾。清華求學(xué)四載，他曾連續(xù)兩年春節(jié)都在實(shí)驗(yàn)室度過(guò)。
在與北京大學(xué)進(jìn)行合作的過(guò)程中，由于對(duì)方實(shí)驗(yàn)室電子顯微鏡使用時(shí)間的限制，張如范只能在晚上其他人都下班后才有機(jī)會(huì)使用。曾經(jīng)長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的時(shí)間里，他經(jīng)常從晚上八點(diǎn)開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)，一直做到早上八點(diǎn)。談及這段經(jīng)歷，張如范說(shuō)，條件有限、實(shí)驗(yàn)不順、遇到困難甚至迷惘、困惑等經(jīng)歷都是奮斗路上所必需的，對(duì)于年輕人的成長(zhǎng)是一件好事。正如導(dǎo)師魏飛老師所言，要想真正做出點(diǎn)成績(jī)，必須要經(jīng)歷一個(gè)磨練心智的過(guò)程，只有這樣你才能真正意識(shí)到困難和問(wèn)題之所在，才能夠真正沉得住氣，深入進(jìn)來(lái)。
經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次的挫折之后，他開(kāi)始明白科研是一個(gè)需要靜下心來(lái)、不斷思考、迂回前進(jìn)的過(guò)程。
匠心獨(dú)運(yùn)，“山寨方法”克難關(guān)
張如范的巧思，用他的話(huà)說(shuō)就是“胡思亂想”。正是這種天馬行空的想象，善于在思考中創(chuàng)造新方法，成為他取勝的“法寶”之一。面對(duì)有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件，他不拘常規(guī)，大膽嘗試，敢于創(chuàng)造和運(yùn)用各種 “山寨”的方法來(lái)解決設(shè)備缺乏的困難。
碳納米管的研究是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，需要綜合運(yùn)用多種儀器設(shè)備對(duì)其性能進(jìn)行表征。然而張如范所在的實(shí)驗(yàn)室很多條件都不具備。面對(duì)這些困難，他雖然也會(huì)到外單位尋求合作，但更多的是充分發(fā)揮自己的主觀(guān)能動(dòng)性，利用現(xiàn)有條件，巧妙改造，自制設(shè)備進(jìn)行研究。
比如，為了擺脫電子顯微鏡對(duì)碳納米管表征的限制，張如范匠心獨(dú)運(yùn)，巧妙構(gòu)思，提出了一種實(shí)現(xiàn)碳納米管光學(xué)可視化的方法，通過(guò)常規(guī)光學(xué)顯微鏡就可以對(duì)單根的碳納米管進(jìn)行表征，并解決了研究過(guò)程中的一個(gè)個(gè)難題。他首先制備了一種帶有微槽的硅片基底，然后利用超長(zhǎng)碳納米管漂浮生長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其懸空在凹槽上面，然后在這些懸空的碳納米管上負(fù)載大量二氧化鈦納米顆粒。由于這些顆粒對(duì)可見(jiàn)光有很強(qiáng)的散射能力，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下單根碳納米管的可視化觀(guān)察，并可進(jìn)行后續(xù)操縱。該方法不需要任何復(fù)雜設(shè)備，只需要幾秒鐘就可完成，簡(jiǎn)單高效，大大提高了碳納米管的結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)量以及器件構(gòu)建效率。這項(xiàng)工作的文章發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上后，其獨(dú)特的構(gòu)思和巧妙的設(shè)計(jì)得到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。
研究碳納米管的力學(xué)特性，常規(guī)的做法是單根碳納米管固定在專(zhuān)門(mén)的力學(xué)儀器上進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量一般需要精度達(dá)到納米級(jí)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備?？墒菑埲绶端诘膶?shí)驗(yàn)室并沒(méi)有這方面的設(shè)備，怎么辦？
面對(duì)這種困難，張如范并沒(méi)有一籌莫展。在不斷思索解決方案的過(guò)程中，靈感再次光顧了這個(gè)勤奮的研究者。張如范的奇思妙想又來(lái)了，他利用一根毛細(xì)管從懸空碳納米管側(cè)面“吹氣”，使其發(fā)生彎曲，根據(jù)氣速大小、顆粒數(shù)量和粒徑以及碳納米管的彎曲程度來(lái)計(jì)算其受力大小，從而測(cè)量出它們的力學(xué)性質(zhì)。
為了能夠順利實(shí)現(xiàn)“吹氣”法，首先需要使碳納米管生長(zhǎng)在具有一定溝槽的硅片基底上。而在硅片上刻槽的傳統(tǒng)方法是微加工工藝，成本很高。而實(shí)現(xiàn)“吹氣”法需要的溝槽寬度和深度都很高，制作這樣的一個(gè)溝槽成本接近萬(wàn)元。為了能夠降低成本，張如范逆向思考：既然微加工方法如此之貴，何不將三塊硅片拼接在一起，形成一個(gè)溝槽？然而，這種粘接硅片的方法卻面臨一個(gè)關(guān)鍵的難題：缺少一種能夠耐受1000oC高溫并且不影響碳納米管生長(zhǎng)的粘合劑。為了找到合適的粘合劑，張如范進(jìn)行了大量的嘗試，然而無(wú)一例外都以失敗告終。突然有一天，他靈光一現(xiàn)，心想：為何不用簡(jiǎn)單的金屬箔片去嘗試呢？他用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的鋁箔進(jìn)行試驗(yàn)。將小片鋁箔放在兩個(gè)硅片之間，然后在高溫下將鋁箔熔化，將兩塊硅片粘附在一起，冷卻后鋁箔從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，就可以將所粘附的硅片牢牢固定住，從而完美地固定三塊硅片從而構(gòu)成溝槽。這樣一來(lái)將加工成本幾乎降為零。
這個(gè)巧妙的創(chuàng)意在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表后相繼被自然出版集團(tuán)-亞洲材料（NPG Asia Materials）以及美國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)站Nanowerk兩個(gè)著名網(wǎng)站評(píng)為亮點(diǎn)文章。張如范說(shuō)，“這是一個(gè)看似很‘山寨’的方式，但是背后卻蘊(yùn)含著很多巧妙的構(gòu)思。有句話(huà)叫做‘有條件要上，沒(méi)有條件創(chuàng)造條件也要上’，做研究就需要有這種闖勁和念頭。‘君子性非異也，善假于物也’，也正是這個(gè)道理。”
善于積累，“垃圾數(shù)據(jù)”廢變寶
善于和熱愛(ài)總結(jié)積累是張如范科研工作的另外一個(gè)法寶。每一本厚厚的科研筆記和科研箴言都是值得挖掘的寶藏，這些總結(jié)和積累更是他日后很多重大成果的基石。張如范翻出一本本厚厚的《科研工作記錄》，扉頁(yè)上用蒼勁挺拔的字體寫(xiě)道“敬業(yè)者，專(zhuān)心致志以事其業(yè)也”。密密麻麻，記載著他多來(lái)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和心路歷程。紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)，及時(shí)更新的進(jìn)度，還有自己的苦悶、靈感都包含其中。
張如范一個(gè)重要的研究方向是如何提高碳納米管的長(zhǎng)度，使其達(dá)到米級(jí)甚至更長(zhǎng)，從而為超強(qiáng)纖維等材料的制備提供可供選擇的材料。然而，這卻是一個(gè)世界性的難題。自從2010年魏飛教授帶領(lǐng)的研究組在國(guó)際上首次制備出20厘米長(zhǎng)的碳納米管后，在此后3年的時(shí)間里，國(guó)際上再也沒(méi)有任何新的進(jìn)展。張如范在從事超長(zhǎng)碳納米管制備的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到碳納米管停止生長(zhǎng)的情況。多次失敗后，他常常習(xí)慣把以往所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，努力從中尋找蛛絲馬跡。
一次次，最終他從那些看似雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了相互間的必然聯(lián)系。由此建立了一種能成功描述超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)的模型。而在此理論模型下，以前所有的數(shù)據(jù)，哪怕是曾經(jīng)認(rèn)為的“垃圾數(shù)據(jù)”都能得到合理的解釋。也正是靠了這種機(jī)理模型的指導(dǎo)，張如范在超長(zhǎng)碳納米管的制備過(guò)程中緊緊抓住其核心要素，經(jīng)過(guò)3年的努力，成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米長(zhǎng)的碳納米管，這是目前世界上最長(zhǎng)的碳納米管，超過(guò)現(xiàn)有記錄的兩倍以上。這項(xiàng)工作發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）上后，引起了廣泛關(guān)注。美國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)網(wǎng)（Nanowerk）、中央電視臺(tái)、人民日?qǐng)?bào)等多家主流媒體都做了報(bào)道。
“這項(xiàng)工作做出的那一刻，我非常激動(dòng)。三年多的時(shí)間里，我常常為得到大量無(wú)用的數(shù)據(jù)而郁悶，然而通過(guò)這一模型的轉(zhuǎn)化，以前所有的數(shù)據(jù)都‘化腐朽為神奇’、‘變廢為寶’，最終都能派上用場(chǎng)。”說(shuō)到那時(shí)的興奮和感慨，張如范仍激動(dòng)不已。
張如范對(duì)科研有著非同尋常的激情和樂(lè)觀(guān)態(tài)度。他的科研過(guò)程并非一帆風(fēng)順，很多時(shí)候是非?？菰锷踔量部赖?。在實(shí)驗(yàn)遇到瓶頸的階段，他往往會(huì)賦詩(shī)一首，抒發(fā)煩悶，寄情于文字之間。
蘇幕遮—科研小生記事
讀文獻(xiàn)，做實(shí)驗(yàn)，夜以繼日，雙頰灑熱汗。暫將此身獻(xiàn)科研，學(xué)海無(wú)涯，長(zhǎng)途路漫漫。
常失敗，淡然看，苦中有樂(lè)，悲喜何須念。磨劍尚需待十年，這才幾時(shí)，繼續(xù)埋頭干！
這首詞是張如范在一個(gè)夜深人靜的小樹(shù)林里作的。那時(shí)候他經(jīng)常通宵達(dá)旦地做實(shí)驗(yàn)，即使這樣，在長(zhǎng)達(dá)半年的時(shí)間里卻依然沒(méi)有任何進(jìn)展。其內(nèi)心的苦悶可想而知。但是他并沒(méi)有氣餒，經(jīng)常會(huì)到實(shí)驗(yàn)室附近的小樹(shù)林里去散心，去反思前因后果。有時(shí)靈機(jī)一動(dòng)、茅塞頓開(kāi)，“柳暗花明又一村”。
衣寬不悔，“太空天梯”鴻鵠志
莫看小管輕如鴻，
韌性超強(qiáng)勝弩弓。
來(lái)年若長(zhǎng)無(wú)限度，
可做天梯上天庭。
張如范用自己的這首詩(shī)來(lái)表達(dá)他的夢(mèng)想，“希望能制備出了米級(jí)甚至公里級(jí)以上的碳納米管，為超強(qiáng)纖維以及太空天梯的制備開(kāi)啟一線(xiàn)曙光。”面對(duì)這個(gè)高難度的前沿課題，張如范從最初的恐懼，到坦然接受，再到如今漸入佳境、享受探索的過(guò)程，是連續(xù)兩年春節(jié)留校攻克實(shí)驗(yàn)的付出，也是無(wú)數(shù)次通宵達(dá)旦做實(shí)驗(yàn)的積累，更是面對(duì)有限的客觀(guān)條件篤定不放棄的凝聚。
在采訪(fǎng)過(guò)程中，張如范對(duì)自己的導(dǎo)師魏飛教授表達(dá)了深深的敬佩和感謝之情，“魏老師是我遇到的對(duì)我影響最大的人，其為人為學(xué)，都堪為楷模。跟著魏老師，自己的眼界、心胸等各方面都得到極大的開(kāi)闊。”同時(shí)，他也對(duì)實(shí)驗(yàn)室的其他老師和同學(xué)表達(dá)了感激之情，“離開(kāi)大家的合作，我也很難取得這些成果”。
談到科研經(jīng)歷，張如范也很樂(lè)意將自己的心得與大家分享。他認(rèn)為勤奮工作和善于思考都很關(guān)鍵。“既要埋頭拉車(chē)，也要抬頭看路。勤奮的雙腳要踏在正確的方向上。”另外，需要有敢于挑戰(zhàn)困難的勇氣，還需要保持樂(lè)觀(guān)的心態(tài)，“科研其實(shí)挺苦的，需要耐得住寂寞。即使在最失落的時(shí)候，也要相信自己經(jīng)過(guò)努力能夠看得到希望。”
“成功的花，人們只驚羨它現(xiàn)時(shí)的明艷！然而它當(dāng)初的芽?jī)海噶藠^斗的淚泉，灑遍了犧牲的血雨。”張如范一步步走來(lái)，在歷練中不斷奮進(jìn)，極佳地詮釋了此中深意。
導(dǎo)師魏飛教授評(píng)語(yǔ)：
從張如范同學(xué)身上，我感到了作為導(dǎo)師與富有活力和創(chuàng)造性的學(xué)生共同研究的快樂(lè)與驚喜，這不僅表現(xiàn)在他投入科研的熱情、許多個(gè)通宵工作的拼命精神及創(chuàng)造性、使宏觀(guān)尺度上納米顯示這一技術(shù)難題很快解決、并使毫米級(jí)長(zhǎng)度碳納米管力學(xué)測(cè)量等前沿課題可以通過(guò)簡(jiǎn)單儀器實(shí)現(xiàn)，還表現(xiàn)在他對(duì)前沿基礎(chǔ)問(wèn)題持之以恒的努力與奮斗。出身于工科專(zhuān)業(yè)，對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的專(zhuān)注是出成績(jī)的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)這些成果的過(guò)程則是充滿(mǎn)著艱辛與曲折。經(jīng)歷這一過(guò)程，并有持續(xù)科研的能力才是做好科研的第一步。希望如范同學(xué)以此為起點(diǎn)，做高起點(diǎn)與質(zhì)量的工作，在納米科技這一前沿領(lǐng)域有清華工科的聲音。
