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甘坐“冷板凳”敢啃“硬骨头”——记东南大学“有序物质科学研究中心”团队

发布者:李震发布时间:2018-04-02浏览次数:2505

十年的时间,中国会发生怎样的改变?世界又会发生怎样的改变?十年说长不长,刚好画出一个中国团队成功走向世界、成为整个行业领头羊的轨迹;十年说短也不短,足够让这个团队经历从“跟跑”到领跑、尝尽其中苦辣酸甜。就是在这样的十年间,东南大学熊仁根教授带领下的“有序物质科学研究中心”团队把“冷板凳”越坐越热,在分子铁电基础研究领域创造出了属于东南大学、属于中国的奇迹,也使得东南大学成为国际分子铁电研究的重镇。
  在今年1月份举行的国家科学技术奖励大会上,团队荣获2017年度国家自然科学二等奖。喜讯传来,熊仁根教授和团队成员都感到十分振奋。回首团队一路走来,成就可谓令人瞩目:该团队有三十余篇论文曾被发表在国际相关顶级期刊上,不仅前后三次分别被邀在化学类顶级综述期刊Chem.Soc.Rev和Chem.Rev.撰写关于分子铁电体的综述性学术论文,多名成员还担任国际顶级期刊在分子铁电研究领域的审稿人。甚至在他们的带领下,国内的多个研究团队都在该领域作出了突出的研究成果……团队于2013年和2017年在国际顶级期刊Science上发表了两篇论文,奠定了其分子铁电研究的学术领先地位,并获得了教育部自然科学一等奖和2017年度国家自然科学二等奖。
  而这些成就的取得,可谓是“艰难困苦,玉汝于成”。让我们走进这个不断超越、啃下一块又一块“硬骨头”、用行动践行着东南大学“止于至善”校训的团队,感受他们背后的故事。
  步步铿锵,从无到有共克艰说到分子铁电,不得不提铁电体,它是指在一定的温度范围内具有可控的自发极化的一类特殊功能性材料,被广泛应用于储存、探测以及光电等领域。熊仁根团队的研究对象则是由小分子有序排列构成的分子基铁电体,因其独特的性能和优势,有望在薄膜、柔性、环保等方面成为传统无机铁电体的有益补充。“我们的技术可以把铁电材料从传统的无机材料转变为有机材料,使得材料的可能性和变化形态更多,可塑性更强。”团队成员叶琼教授说。
  创新驱动发展,而基础研究则是创新的源动力。而在基础研究的过程中,必须要有“板凳需坐十年冷”的精神。熊仁根教授说:“科研上并没有‘弯道超越’,需要的是认准一个方向,不忘初心,耐得住寂寞,踏实勤奋,潜心研究,才能将研究与学问做好做精。”时间回拨到2006年底,那时候熊仁根教授刚刚加入东南大学。他从上世纪九十年代开始从事于分子铁电研究领域,研究方向从非中心对称配合物一直到分子铁电体。作为访问学者,他先后在美国Boston学院、日本京都大学、日本北海道大学工作。在此之前,东大还没有研究分子铁电的相关机构,熊教授的加盟无疑为当时的东南大学注入了新鲜的血液。也就是在他的带领下,东南大学建立了“有序物质科学研究中心”。由此,东南大学在分子铁电领域的研究开始了从无到有、从有到优的跨越。
  人才是基础研究和原始创新的关键,但在成立初期,由于学科本身在国内基础薄弱,研究难度大,使研究团队的组建异常困难,实验室还一度招不到足够数量的研究生。不过,在东南大学的帮助和团队成员的坚持下,“有序物质科学研究中心”排除万难,一步一个脚印地开垦出了分子铁电研究这片处女地。
  在团队成长发展的十余年间,人数不断充实,而中心也为这些中青年学者的成长提供了舞台。熊教授回忆说:“很多人刚加入中心时,有的是我的博士研究生或博士后,有的是从国外博士后归来刚刚参加工作,可谓初生牛犊不怕虎。”也正是对分子铁电体的热情将这些“牛犊”聚集起来,共同为了一个研究目标和方向奋斗,宵旰攻苦、披星戴月。功夫不负有心人,渐渐地,团队不仅取得了令人瞩目的成绩,也逐渐形成了以中青年教师为骨干,立足于物理、化学、材料交叉领域,分工明确、优势互补、具有国际影响的学术队伍。目前中心有长江学者特聘教授1名、国家杰出青年基金获得者2名、国家青年973项目首席1名、国家优秀青年基金获得者2名、新世纪人才2名、江苏省特聘教授1名。
  在围绕分子基铁电体的基础研究中,出于对研究目标的热爱,成员们分工合作,协调攻坚。因为分子铁电是一个跨专业的研究领域,因此在这个团队内部,工作内容主要是依据个人特长及研究方向进行分工。各有所专,互相促进,互为补充。每个人都是团队中不可或缺的一分子,在团队内部形成了良好的合作氛围。到2017年,团队共牵头承担国家重大仪器专项1项(700万)、国家重大研究计划集成项目1项(1000万)、科技部青年973项目1项(500万),独立承担国家重大研究项目子项目1项(400万)及其它多项国家和省部级项目……人才济济、“战功”赫赫。
  止于至善,十年一剑始到金十年,从跟跑到并跑,从并跑到领跑。在科研之路上从来没有“容易”二字。团队建设不易,科学研究更是不易。创新、奋斗、坚持的结果总是给人惊喜。在研究过程中,分子铁电材料作为前途广阔而充满未知的新选择,为团队带来了挑战,也带来了机遇。
  团队一方面对原有的传统工艺加以改进,另一方面则是自己动手,从头寻找。目前,人们广泛使用的主要是传统的无机陶瓷铁电体,这类材料虽然性质优异,但使用、生产过程中仍存在一些制约。为了使分子铁电材料充分发挥其优点,成为传统无机陶瓷的有益补充,熊仁根团队率先利用变温二阶倍频效应判断铁电相变的发生,并总结出了一套较为有效的寻找分子铁电体的“半经验”方法。利用这些新方法和新手段,他们发现了一系列有别于传统无机陶瓷铁电体的新型分子铁电体。更让人振奋的是,该团队发现的二异丙胺氯盐和溴盐的自发极化和相变温度能与钛酸钡相媲美,这一重要进展是分子铁电体迈向实际应用的关键一步,克服了现在通用的含铅陶瓷类铁电体在生产过程中的耗能和环境污染问题。综合来说,性能良好的分子铁电体具有更为优越的特质,这些性质使其能够有效地替代有机电子设备中的聚合物铁电体,可望作为现有的无机铁电材料的替代或补充。除此之外,分子铁电体还具有一些无机陶瓷铁电体无法具有的独特性质。这也是自第一个铁电体发现近百年来,分子铁电体的相变温度与饱和极化值第一次达到了陶瓷铁电体的水平。该团队也因此得到国际、国内同行的广泛关注,同时凭借这些成果,该团队获得了教育部自然科学一等奖和2017年度国家自然科学二等奖。
  2017年,经过十年“磨砺”,该团队在多极轴分子铁电体的寻找、铁电薄膜的应用研究和具有高压电常数的材料研究方面又取得了重要的进展与突破,克服了目前大多分子铁电体为单轴铁电体对该类铁电体在器件工艺上应用的限制,并将其部分研究发表在2017年的Sci-ence杂志上。
  当然,这一系列的探索过程中遇到的困难也是不容小觑的。基础研究的难点在于材料的性能难以预测控制,团队成员张闻老师为此打了一个比方:“这就像是药物的筛选,药物没有用到人身上前,很难预测药效。”因此从上万个合成后的原始材料中,只能筛选出几十个优良的具有铁电性质的材料,这一过程可谓是“吹尽狂沙始到金”。然而在这些具有铁电性质的材料中还要再筛查一遍,进行性能的改进与优化,最终要使各项指标都符合要求。这样浩大的工程,在研究初期耗费了大量的人力物力,投入了大量的时间精力。但值得欣慰的是,经过了十年的研究,到了现在,就可以依据之前大量实验积攒下的经验以及现有数据库的使用,帮助科研人员根据材料物理性质的要求,缩小目标范围,以提高成功率和节约时间。这也是在长期的科研经历之中团队创造出的又一项优秀“战绩”。
  展望未来,勇攀高峰无止境砥砺奋进,十年一剑,终于换来了国际研究领域的认可和赞叹。多篇权威期刊论文的发表、多次获奖都证明了新型分子铁电材料所具有的强劲的发展前途,也为其日后能更广泛应用于社会生活开启了一扇门。
  该团队能够获得这样的成就,并不是一时运气,而是“一以贯之”的水到渠成。东南大学“有序物质科学研究中心”研究团队用“潜心研究板凳哪怕十年冷,奋力实干文章不写一句空”的精神,秉持着东南大学“止于至善”的校训,为分子铁电领域的研究开辟出一条愈走愈宽、愈走愈光明的发展之路。他们的成果也不单单是个人和团队的成就,更是全球范围内分子铁电研究领域的一大进步和突破。
  在“有序物质科学研究中心”有这样两句座右铭:“志存高远以兴趣始探索学问,思索进取持毅力坚攀登巅峰”。对于科研工作者来说,突破永无止境,研究仍在路上。如何将丰富的科研成果更好地转化为现实所用,仍旧是科研工作者需要思考的重要问题。分子铁电体具有易加工、污染少、节能、种类多、易调控和易成膜等优点,在某些应用方面能够替代无机陶瓷铁电体,成为沟通氧化物和复合软材料的桥梁。其应用优势主要体现在柔性器件和薄膜器件等应用形式。在这类应用中,无机材料的柔性不佳或成膜成本高等不足给了分子铁电体大显身手的舞台。
  虽然在现阶段,新型分子铁电材料还基本上应用在基础研究领域,刚刚为我们揭开了它神秘而美丽的“面纱”,但是“让研究朝向应用”一直是目前团队努力的方向。根据熊教授的说法,在未来,团队“将瞄准存储、探测、能量转换等应用出口,以双稳态特性、压电特性等功能特性为导向”,同时结合小组研究成员大规模多学科交叉的背景和优势,“从分子设计和可控合成入手,利用化学、物理、材料、电子等多重手段对新型分子铁电体的应用进行探索,努力拓宽其应用前景,提高应用潜力,降低应用成本与难度,将分子铁电材料真正推向实际应用。”张闻教授表示:“我坚信,我们现在正在做的事情,可能会在将来的十年、二十年甚至三十年后,为我们的生活带来极大的变革。”
  我们也有理由相信,随着团队的努力、科技的进步,新型分子基铁电材料将会逐渐走进我们日常生活的角角落落。小到打火机中的点火器,大到国防所用的陀螺仪和声呐,相信在不久的将来,我们每一个普通人,也都能感受到这一高新技术带给我们的便利,体会到“科技,让生活更美好”的现实内涵。


本文原载于《东南大学报》 2018年3月5日  第1362期  第4版

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