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黄富强:“新材料之王”的神奇应用

《科技生活》周刊||热度 ( )

文/记者 李荔

     黄富强简介:博士生导师,北京大学教授,中科院上海硅酸盐研究所资深研究员(兼),国家杰出青年基金获得者,上海市学术带头人,中科院“百人计划”,上海市“浦江人才”,科技部新型太阳电池总体专家项目成员。

  科研本身的创造性让他着迷,科研成果的社会价值更让他充满成就感。

  科学家们凭借深邃的智慧和艰苦的努力,合成出了种种功能神奇的人工材料。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所和北京大学的研究人员就发现了一种新的“超级材料”,它像气球一样轻,像金属一样坚固,具有超强的弹力和超高的导电、导热“本领”,未来可将其用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫,以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。并且该材料还可能“投身”到隐身材料、航天超轻“太空”梯子和电缆的发明研究中。目前,该项研究的相关工作得到了国家自然科学基金等的资助,相关研究成果刊发在材料科学界权威的学术杂志《先进材料》上。

  神奇“新材料”诞生记

  “和许多其他重大成果的发现一样,‘超级材料’的诞生纯属偶然。”“超级材料”缔造者黄富强教授告诉记者,他们研究团队在探索不同多孔陶瓷衬底上生长石墨烯时,惊奇地发现,去除氧化硅模板后,三维石墨烯不仅能够较好保持模板衬底的宏观形貌,而且还很轻。另外,这个材料具有很好的弹性,可以用手反复挤压。更为神奇的是当研究人员用模压机大级别的力对其进行压缩时,三维石墨烯仍能完全恢复。因此,他们果断认为有必要对这个材料的微观结构、力学、电学等性能开展更为细致的研究。

  “尽管该材料的发现具有偶然的成分,但也是必然的结果。”黄富强说,如果没有研究团队孜孜不倦的积极探索,没有夜以继日的专研,这种超强材料是无法获得的。比如如何实现模板衬底大块体制备?如何让石墨烯高质量地生长?如何调控微观结构,进而获得优异电学和力学性能?这一系列摆在眼前的难题都需要科研人员一一去攻克。为此,中国科学院上海硅酸盐研究所、宾夕法尼亚大学和北京大学一起合作开展研究,历经三年多的科研攻关,尝试了多达上千次实验,克服了多个技术难题,最终制备出一种超轻、超强、超弹、超导电的三维石墨烯“超级材料”。

  新发现的“石墨烯”长什么样?黄富强透露,他们利用细小的管状石墨烯构成一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构,从而创造出了这种泡沫状材料。它是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料,可以被无限拉伸,弯曲到很大角度不断裂,还可以抵抗很高的压力。三维石墨烯还有着非同寻常的导热性和导电性。

  黄富强说,与传统多孔材料相比,新发现的三维石墨烯“超级材料”具有超高弹性,即它被压缩形变95%以上,循环1000次后几乎可完全恢复,为所有多孔材料之最。同时还具有高强度性能,它可以支撑自身重量的40000倍,并且不会有明显的形变。

  新创造出的这种材料能够承受较之以往报道的石墨烯材料更大的冲击。这种新材料的特性意味着其可以用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫,以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。同时,由于这种超级材料对光、电、磁、热和声具有敏感的响应性,也可以应用于宽波段的隐身领域,以高效吸收声呐或雷达所发出的光波、声波和电磁波。同时,更为神奇的是,以上这些特性不随温度的变化而变化,不同于金属和其它许多材料,在极低温和较高温下不容易发生结构脆裂、热胀冷缩、导电导热效率等变化。因此,可以用作航天的超轻“太空”梯子和电缆。

  让人感到惊奇的还远不止这些。该“超级材料”具有超疏水特性,吸附有机溶剂超快,吸附有机溶剂达自身重量的600倍以上,可用于环保污水处理、海上漏油收集等。并且兼具高效抗菌的特性,使之可以应用到运动员、卫生保健等高级衣鞋用品中。


三维石墨烯管宏观和微观形貌

  像新生婴儿一样,让人欢喜让人忧

  尽管目前三维石墨烯管具有远优于文献报道的性能,但该材料的性能还远没有完全发挥出来,还有待进一步研究。黄富强强调,他们的研究工作其实才刚刚开始,发现这种新材料只是科研走对了第一步,接下来他们的研究任务将更加艰巨,因为眼下就有一系列的疑难问题有待解决。诸如针对“超级材料”高碳sp2含量,如何深入探索三维石墨烯的生长机制,实现石墨烯的可控制备?针对较高的比表面积和优异的力学特性,如何设计制备石墨烯的微结构?针对实际应用的需求,如何开发特定元素掺杂的石墨烯制备工艺?如何实现三维石墨烯力学强度及其弹性、柔性、电学性能的平衡调控?而实际上,这些在大众看来颇为专业深奥难懂的学术难题,恰恰是黄富强研究团队最为感兴趣的爆发点,也是他们常常翘首以待的科研价值所在。

  “看着这些像新生婴儿一般的新材料,他既惊喜又担忧,他不知道它们是否具备自己所希望的性能,将来会有哪些应用。”黄富强说,新材料被称为“发明之母”和“产业粮食”,成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。而石墨烯就是这样一种能够带来新一轮产业革命的新材料,它所具有的超强韧性、导电性、导热性以及透光性等特性,使其拥有巨大的发展空间。而如何能够将这种独特的二维材料组装起来,是后续应用的关键。他们课题组一直也在致力于这方面的研究,目前找到一种能够制备三维石墨烯超级材料的方法,有望广泛应用于电子、航天、生物医药、军事等领域,而它的商业化应用,则将带动信息、能源、生物等一系列产业走向变革。


由于三维石墨烯管的低声速特性,它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。可广泛用于航空、航天、军事等国防领域

  多位“牛人恩师”点化的“化学才子”

  事实上,黄富强教授的研究兴趣非常广泛,从小就偏爱化学,师从于中国理论化学派的奠基者、开拓者唐敖庆院士,“美国理论化学界未来的领导者”史蒂芬·李教授,美籍华人世界陶瓷科学院院士陈一苇教授,曾在美国西门子分公司从事研发。在数十年的科研求学之路上,黄富强曾涉猎理论化学、固体化学、材料化学、新能源、晶体结构学、光电转换材料及器件研发等多个领域。近年来围绕新型太阳能和先进储能应用,在材料设计、材料制备和器件集成方面做出了深入而系统的创新性工作,形成了“国际特色”的新能源研究。发表论文300余篇,总引用超过7500次,申请发明专利100余项(含国外20余项),多篇论文被国际化学权威机构认可并授予多个荣誉证书。

  一系列成果和认可的取得,靠什么?黄富强的回答是“心空”。在他看来, “心空”其实就是敢于突破各种思维定势,“研”无定法。的确,从事科学研究,黄富强关注的永远是科研本身,为此,他躲避一切与科研、教学无关的工作,甚至是担任一些项目的评审鉴定专家。他说,科研本身的创造性让他着迷,科研成果的社会价值更让他充满成就感。

  说到这一点,黄富强由衷地感谢他的恩师唐敖庆,正是他的教诲,帮助他确立了一种理性而开放的科研方式。每当确立一项新的科研课题时,他总是先对目标进行理性设计,然后依据设计要求选择不同的路径去尝试。有时候这种路径常常出人意料,比如用做豆腐的工艺来做陶瓷,完全打破了材质、工艺等的限制,看似天马行空,却有着内在的合理性。

  黄富强也把这种科研方式传授给了他的弟子们。他让学生参与到最前沿的课题研究中,给题目,给基本研究方法,然后放手让他们去大胆尝试。这样的教学模式使学生们很快成长为独立的科学工作者,黄富强也多次被评为中科院优秀导师,现已培养二十余名博士,多名学生获得中科院院长特别奖、中科院院长优秀奖等荣誉。

  如今,黄富强教授每天都忙碌于北京大学和上海硅酸盐研究所,从事他所喜爱的新能源材料和器件的相关研究。“我期待着自己的科研成果能够尽快落地转化,也期待新材料在促进信息、能源、生物等技术革命的同时,对制造业、运输业以及个人生活方式产生更大的影响。”黄富强说。

  (中科院上海硅酸盐研究所毕辉博士亦对本文有贡献)


三维石墨烯管结构图

  TIPS

  “超级材料”具有超疏水特性,吸附有机溶剂超快,吸附有机溶剂达自身重量的600倍以上,可用于环保污水处理、海上漏油收集等。并且兼具高效抗菌的特性,使之可以应用到运动装备、卫生保健等高级衣鞋用品中。

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